ВВЕДЕНИЕ
Электротехнология — это способ обработки материала, при кото-
ром электрическая энергия является непосредственным инструментом
выполнения определенной операции. Электрическая энергия в этом
случае может выступать в разных видах: в виде теплового воздействия,
дугового или тлеющего разряда, механического действия электрическо-
го поля, искрового электрического разряда, плазмы, концентрирован-
ных пучков света, токов высокой частоты, ультразвука и т. д.
Электротехнологические установки имеют довольно сложное ос-
новное и вспомогательное оборудование. Так, например, производство,
использующее плазменный процесс, включает в себя следующее основ-
ное оборудование: плазмотрон, плазменный реактор, электронную пуш-
ку и еще ряд устройств. В составе же вспомогательного оборудования
имеются система обеспечения водой, газом, система создания и под-
держания вакуума и др.
Отдельные виды электротехнологической обработки применяются
самостоятельно, например дуговая электрическая сварка, обработка тока-
ми высокой частоты, электровзрывная и магнитно-импульсная обработка
и др. А некоторые виды воздействия, например ультразвуковая обработка,
энергия ударных волн и др., осуществляются через промежуточное техно-
логическое звено.
Сложность используемого оборудования обуславливает и слож-
ность его разработки, монтажа и наладки, выполнить которые без зна-
ния технологического процесса практически невозможно.
В настоящее время электротехнологические установки особенно
широко внедряются в практическую деятельность человека и его среду
обитания. Следует отметить, что это обусловлено не только объектив-
ной потребностью в них, но и другим не менее важным фактором —
стремительным сокращением запасов углеводородного сырья. Более то-
го, реальная угроза глобального изменения климата на Земле поставила
перед человечеством новые проблемы, связанные с необходимостью
принятия кардинальных мер по охране окружающей среды: создание
безотходных технологий и разработку новых возобновляемых источни-
ков электрической энергии.
Развитие электротехнологий может быть обеспечено только непре-
рывным совершенствованием энергетики страны, поэтому актуальной
6
Введение
задачей государства является активное строительство новых атомных
и тепловых электростанций и сооружение мощных линий электропере-
дач с учетом последних достижений в области электроэнергетики.
Не случайно электротехнологии иногда называют «новыми техно-
логиями». Они характеризуются целым рядом существенных преиму-
ществ перед традиционными (механическими) методами обработки ма-
териалов. К таким преимуществам следует отнести:
•	возможность обработки материалов практически с любыми
свойствами без существенного механического воздействия (электроэро-
зионная, электрохимическая, электролучевая обработка);
•	возможность обработки сверхтвердых материалов при отсутст-
вии специальных инструментов. В этих случаях используются электро-
искровая, электроэрозионная технологии;
•	существенную экономию материала за счет оптимального рас-
кроя и меньшей толщины швов заготовок, что важно при обработке до-
рогостоящих материалов, таких как рубин, кварц, алмаз, полупроводни-
ковые кристаллы, золото, платина;
•	высокую точность изготовления деталей (в пределах единиц
микрометров), не всегда достижимую другими способами обработки;
•	высокую производительность и экономическую эффективность,
например при обработке твердых и хрупких материалов, по сравнению
с механической обработкой;
•	широкие возможности механизации и автоматизации процессов
обработки материалов, что позволяет существенно сократить численность
работников, повысить производительность и улучшить условия труда.
Совершенствование электротехнологических процессов позволило
создать материалы, обладающие новыми свойствами: более высокой
прочностью, термостойкостью, химической нейтральностью, более
прочными изоляционными свойствами и др. Более того, благодаря элек-
тротехнологии были получены сверхчистые проводниковые и полупро-
водниковые материалы. А использование новых технологий позволило
получать изделия и материалы из отходов производств, работающих по
старым схемам.
Настоящим прорывом стало внедрение электротехнологий в ра-
диотехнику и микроэлектронику. Так, при работе по старым технологи-
ям радиотехнические устройства, ЭВМ, управляющие комплексы со-
держали сотни тысяч, а порой и миллионы элементов, объединенных
в системы сотнями тысяч соединений, занимали огромные площади
и потребляли сотни киловатт электроэнергии. Последние достижения
7
Введение
в области плазменных технологий позволили получать на основе совре-
менных материалов принципиально новые устройства микроэлектрони-
ки — микросхемы, на которых все составляющие элементы размещены
в одном микроблоке без единого внешнего соединения. Сегодня для нас
уже стали привычными компьютеры и микрокалькуляторы, многофунк-
циональные сотовые телефоны, микротелевизоры, ЭВМ, обладающие
фантастическими быстродействием и памятью.
Внедрение контактной сварки в производство позволило в сотни
раз повысить уровень механизации сборочных работ в машинострои-
тельной индустрии, обеспечивая при этом высокую скорость изготовле-
ния изделий и материалов и их безупречное качество.
Следует отметить, что электротехнологические процессы, особен-
но их новые разновидности, имеют короткий путь от исследовательских
лабораторий до производственных цехов. К таким процессам можно от-
нести высокочастотную закалку металлических изделий, высокочастот-
ную сушку сыпучих неэлектропроводных материалов, индукционный
нагрев и плавку металлов, нагрев и сушку с использованием инфра-
красных излучателей и т. д.
Вышеназванные технологии не исчерпывают всего многообразия
возможностей электротехнологических методов обработки материалов.
С учетом ограниченного объема учебного пособия представляется целе-
сообразным дать в нем общую классификацию электрофизических
и электрохимических методов обработки изделий и материалов.
В электротехнологиях используются тепловые, механические
и химические воздействия электрического тока:
•	тепловое действие электрического тока', нагрев сопротивлени-
ем, индукционный и диэлектрический нагрев, нагрев в электролитах;
электроискровая, электроимпульсная, светолучевая, электронно-луче-
вая, ионная и плазменная обработка;
•	механическое действие электрического тока', ультразвуковая,
магнитно-импульсная и электровзрывная обработка;
•	химическое действие электрического тока: гальваника, анодно-
механическая обработка, электрохимическая размерная обработка,
электрохимическое полирование.
Итак, спектр применения электротехнологических методов воз-
действия на материалы и изделия необычайно широк. Поэтому интерес
к электротехнологическим установкам постоянно растет. Для того что-
бы совершенствовать и автоматизировать электротехнологические про-
цессы, необходимо знать не только физические законы, на которых они
8
Введение
основаны, но и их характеристики. Так, к основным характеристикам
электрохимических процессов следует отнести: уровень напряжения,
способ его подвода (прямой или косвенный), род, силу, частоту и плот-
ность тока.
В электротехнологиях используется как переменный (чаще всего),
так и постоянный электрический ток, а в отдельных случаях - тот и дру-
гой (например, в гальванике). Сила тока может варьировать от миллиам-
пера до килоампера, частота тока - от 50 Гц до десятков мегагерц.
Таким образом, зная основные характеристики электротехнологи-
ческих процессов, их можно с успехом как оптимизировать, так и авто-
матизировать, идя в ногу с научно-техническим прогрессом.
9
Часть I. ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ
Глава 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
1.1.	Способы преобразования электрической энергии
в тепловую
Электрическая энергия, применяемая для нагрева, имеет целый ряд
преимуществ перед другими способами нагрева: существенное снижение
загрязнения окружающей среды; достижение значений температур значи-
тельно более высоких, чем при сжигании каких-либо видов топлива; стро-
гий контроль и точное регулирование длительности выделения тепловой
энергии; возможность управления тепловыми потоками энергии; возмож-
ность нагрева материалов и изделий в различных газовых средах и в вакуу-
ме; выделение тепловой энергии в самом нагреваемом материале [3, 34].
В электротермии, как правило, рассматривают следующие спосо-
бы преобразования электрической энергии в тепловую:
•	нагрев сопротивлением. При протекании в проводящем мате-
риале электрического тока происходит выделение теплоты. Такой вид
нагрева основан на законе Джоуля - Ленца и осуществляется в терми-
ческих установках прямого и косвенного действия. В термических уста-
новках прямого действия теплота выделяется в нагреваемом материале
или изделии, включаемом в силовую цепь. В установках косвенного
действия тепловая энергия выделяется в нагревательных элементах,
размещенных в камере, и затем по законам теплопередачи поступает
в нагреваемое изделие или материал;
•	индукционный нагрев заключается в преобразовании энергии
электромагнитного поля в тепловую за счет наведения в нагреваемом те-
ле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля - Ленца.
Индукционный нагрев может осуществляться как прямым, так и косвен-
ным методами;
•	диэлектрический нагрев', материалы и полупроводники, поме-
щенные в высокочастотное электрическое поле, нагреваются за счет
сквозных токов проводимости и смещения при поляризации;
10
Глава 1. Основы теории электротермических установок
•	дуговой нагрев происходит за счет теплоты, поступающей в ма-
териал из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена между
дугой и электродами;
•	электронно- и ионно-лучевой нагрев осуществляется за счет теп-
ловой энергии, выделяющейся при столкновении быстродвижущихся
электронов или ионов в электрическом поле, с поверхностью нагревае-
мого изделия или материала;
•	плазменный нагрев происходит за счет нагрева газа при про-
пускании его через дуговой разряд, высокочастотное электромагнит-
ное или электрическое поле. Полученная этим способом низкотемпе-
ратурная плазма используется для нагрева различных материалов
и изделий;
•	лазерный нагрев достигается за счет нагрева поверхности объек-
тов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой
энергии, полученных в лазерных установках.
1.2.	Законы теплопередачи
Процесс теплообмена является весьма сложным, поэтому в инже-
нерных расчетах его подразделяют на более простые составляющие -
теплопроводность, конвекцию и излучение [3, 7, 19].
Теплопроводность - передача теплоты внутри твердого тела или
неподвижной жидкости (газа) от зоны с более высокой температурой
к зоне с температурой более низкого значения.
Согласно молекулярно-кинетической теории теплопроводность
обусловлена тепловым движением и энергетическим взаимодействи-
ем молекул, атомов, электронов материалов и веществ. Более нагре-
тые частицы являются более подвижными, они то и отдают часть
своей энергии менее нагретым, а значит, и менее подвижным части-
цам при столкновении. Процесс теплопередачи в этом случае в пер-
вую очередь зависит от плотности вещества. У металлов она больше,
у пористых материалов (дерево, пенопласт и др.) - меньше. В случае
когда температура нагревателя и нагреваемого тела не меняется во
времени, такое температурное поле системы является стационарным
или установившимся. При стационарных процессах теплопередачи
тепловой поток, проходящий через тело в единицу времени, остается
постоянным.
11
Часть I. Электротермия
Тепловой поток (Вт) через однослойную плоскую стенку при ус-
тановившемся режиме рассчитывается по формуле Фурье
Q = (t,-t2)/(lFX),	(1.1)
где ti и /2 - температуры соответственно наружной и внутренней по-
верхностей стенки, К; / - толщина стенки, м; F - площадь проводящей
стенки, м2; X — коэффициент теплопроводности, зависящий от плотно-
сти вещества и его температуры, Вт/(м • К).
Конвекция - передача тепла в жидкостях и газах за счет перемеще-
ния частиц и отдельных элементов объема вещества, переносящих
имеющийся у них запас тепловой энергии. Такой перенос теплоты вместе
с переносом массы вещества называют конвективным теплообменом.
Конвекция, обусловленная лишь разностью плотностей вещества
вследствие различных температур, называется естественной.
Конвекция, вызванная внешним механическим воздействием на
среду, называется вынужденной.
При расчетах теплового потока конвективного теплообмена поль-
зуются законом Ньютона — Рихмана
Q = aK(tc-t0)F,	(1.2)
где ак - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 ♦ К); tc - темпера-
тура стенки, °C; t0 - температура окружающей среды, °C; F - поверх-
ность конвективного теплообмена, м2.
Коэффициент теплоотдачи ак - это количество теплоты, переда-
ваемой в единицу времени через единицу поверхности при разности
температур между поверхностью и омывающей жидкостью в 1 К. Ко-
эффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции главным образом
зависит от скорости движения омывающей среды. В общем случае ко-
эффициент теплоотдачи определяют с помощью безразмерных зависи-
мостей, полученных обобщением опытных данных.
Излучение — передача теплоты лучистой энергии в невидимой
(инфракрасной) и видимой частях спектра. При передаче теплоты излу-
чением энергия передается электромагнитными волнами. Для передачи
тепловой энергии используют тепловое излучение длиной волны
0,4-400 мкм. При излучении нагретого тела в неограниченное про-
странство лучистый тепловой поток (Вт/м2) определяют по формуле
е=с,Е(т-/юо)4,	си)
12
Глава 1. Основы теории электротермических установок
где cs - постоянный коэффициент излучения абсолютно черного тела;
е - степень черноты тела, численно равная его поглощающей способно-
сти (для абсолютно черного тела е = 1); Т - абсолютная температура, К
[2, 12].
1.3.	Материалы, применяемые
в электротермических установках
При проектировании электротермических установок (ЭТУ) преду-
сматривают применение специфических материалов, предназначенных
для работы при высоких температурах: это огнеупорные и теплоизоля-
ционные материалы для теплоизоляции нагреваемых изделий от окру-
жающей среды и жаропрочные материалы, применяемые при изготов-
лении нагревателей и элементов конструкций печей, работающих в тя-
желых температурных условиях.
Тугоплавкие металлы имеют температуру плавления выше тем-
пературы плавления железа (1 539 °C): Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W,
Re. Тугоплавкие материалы, например оксиды и другие бескислородные
соединения, используют в атомной энергетике, а также в установках
прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Компози-
ции из углерода и кремния, циркония и кислорода применяются в каче-
стве материалов для электрических нагревателей. Электроплавленый
периклаз применяется в трубчатых электронагревателях (ТЭН), предо-
хранителях. В последнее время созданы новые огнеупорные материалы
для установок плазменного и электронно-лучевого нагрева [15, 27].
Огнеупорные материалы - это материалы, которые применяют-
ся для сооружения различных печей и аппаратов, работающих в услови-
ях высокотемпературного (выше 1 200 К) нагрева.
В связи с тяжелыми условиями работы такие материалы должны
отвечать следующим требованиям [3, 15, 19, 27] .
1.	Огнеупорность - это способность материала без деформации
и оплавления работать в условиях высоких температур. Все материалы
подразделяют на три класса: огнеупорные (огнеупорностью 1 580-1 770 К);
высокоогнеупорные (1 770—2 000 К); высшей огнеупорности (выше
2 000 К). Материалы с огнеупорностью ниже 1 580 К называют тепло-
изоляционными. О них речь пойдет ниже.
13
Часть I. Электротермия
2.	Механическая прочность. Эта способность материала имеет
особо важное значение при высоких температурах, поскольку огне-
упорные материалы в процессе работы подвергаются воздействию зна-
чительных механических нагрузок. Механическая прочность огнеупо-
ров определяется максимальной рабочей температурой огнеупорного
материала, при которой начинается деформация материала от сжимаю-
щей нагрузки 20 кПа.
3.	Термическая устойчивость — это способность материала вы-
держивать резкие колебания температуры без разрушения. Выгрузка из
печи нагретого и последующая загрузка холодного материала вызывают
в печах резкие колебания температуры, что приводит к термическим
напряжениям и впоследствии к разрушению огнеупорного материала, из
которого изготавливают устройства.
4.	Химическая нейтральность. Огнеупорные материалы, из кото-
рых выполняют внутреннюю кладку печи, и материал, который обраба-
тывают в ней, должны быть химически нейтральны, чтобы не засорять
нагреваемую продукцию и не разрушаться.
5.	Малая электропроводность. Огнеупорный материал в электри-
ческих печах нередко является и электроизоляционным материалом. На
нем закрепляются электрические нагреватели, он является тепло-
и электроизолятором ванны печи от корпуса. Поэтому огнеупорный ма-
териал должен обладать хорошими электроизоляционными свойствами
в диапазоне рабочих температур технологического процесса.
6.	Малая теплопроводность позволяет существенно снизить теп-
ловые потери через стенки электрической печи без увеличения их тол-
щины.
Основным огнеупорным материалом для печей сопротивления яв-
ляется шамот, представляющий собой глубоко обожженную огнеупор-
ную глину. Высокотемпературные печи футеруют изнутри высокогли-
ноземистыми материалами - муллитом, алундом, углем и графитом.
При выплавке тугоплавких металлов и сплавов применяют высо-
кокачественные и нередко дорогостоящие огнеупорные материалы: ди-
оксид циркония ZrO2 (температура плавления Тт = 2 800 К), оксид бе-
риллия ВеО (Гпл = 2 870 К), диоксид тория ThO2 (Тпл = 3 300 К) и др.
Теплоизоляционные материалы должны обладать малой тепло-
проводностью при определенной огнеупорности. В основном это рых-
лые легкие массы, очень пористые изделия, крупнозернистые порошки
или крошка.
14
Глава 1. Основы теории электротермических установок
В качестве теплоизоляционных материалов широко применяются
диатомит, шлаковые и минеральные ваты, пеностекло, зонолит, а также
комбинированные материалы на основе асбеста и др.
Диатомит - осадочная горная порода, по химическому составу -
почти чистый кремнезем (SiC^), применяется в качестве насыпной изо-
ляции для стен электропечей.
Шлаковые и минеральные ваты получают из шлаков, а также из
различных пустых пород путем расплавления их в печах с последую-
щим распылением струи расплава сжатым воздухом или паром. Полу-
чаемый таким образом материал обладает хорошими теплоизолирую-
щими свойствами. На основе шлаковых и минеральных ват изготавли-
вают теплоизоляционные плиты, путем добавки огнеупорной глины
и асбеста в качестве связующего материала.
Стекловата производится аналогичным способом из отходов сте-
кольного производства. Максимальная температура ее применения -
700-800 К.
Пеностекло получают путем добавления в расплав стекла газооб-
разующих веществ. Полученные изделия из пеностекла обладают хоро-
шо развитой пористостью и большой механической прочностью, мак-
симальная рабочая температура - 900-1 000 К. Однако ввиду дефицит-
ности и высокой стоимости этого материала он не получил широкого
распространения.
Зонолит - легкая чешуйчатая масса, получаемая из низкосортной
слюды путем обжига. Зонолит обладает малой теплопроводностью, вы-
держивает температуру до 1 400 К и применяется в виде засыпки и для
изготовления формованных изделий.
Асбест — обобщенное название минералов класса силикатов, об-
разующих волокнистые агрегаты. Рабочая температура - до 900 К. Об-
ладает высокой плотностью. Применяется в термических установках
в качестве засыпки. Находит широкое применение в качестве арми-
рующего вещества при изготовлении композиционных материалов с по-
вышенными теплоизоляционными и огнестойкими свойствами (асбо-
картон, асбошнур и др.).
Огнеупорные и теплоизоляционные материалы должны быть лег-
ко обрабатываемы и дешевы.
Жаропрочные материалы. Жаропрочность — способность конст-
рукционных материалов (главным образом металлических) выдерживать
без существенных деформаций механические нагрузки при высоких
15
Часть I. Электротермия
температурах. Жароупорность характеризует устойчивость материала
к химическим реакциям при высоких температурах — до 1 400 К.
Большое количество деталей и конструкций в электротермических
установках работают при высоких температурах, больших механиче-
ских нагрузках, а также в агрессивных средах. При изготовлении таких
деталей применяются материалы, механически прочные при высоких
температурах и устойчивые к коррозии, обработке (резание, сварка,
прокатка и т. д.).
В качестве жаропрочных материалов наибольшим спросом поль-
зуются сплавы на основе никеля, железа, кобальта, тугоплавкие метал-
лы и сплавы на их основе. Хром и алюминий придают сплавам способ-
ность противостоять высокотемпературной коррозии. Никель улучшает
механическую обрабатываемость материала, повышает его целостную
прочность при работе в температурных режимах.
Ввиду высокой стоимости жаропрочных сталей их применение ог-
раничено. Жароупорные стали часто заменяют специальными сортами
хромистых и хромоникелевых чугунов. Из чугунов с содержанием хро-
ма до 25—30 % изготовляют различные виды литой тары, работающей
при температурах 1 100-1 300 К.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить КПД нагревателя, который состоит из ни-
келевой проволоки, по которой течет ток 1= 1,54 А. Проволока опущена
в стеклянный калориметр массой тст = 50 г, который наполнен водой
массой тъ = 100 г. Время, за которое вода в калориметре нагреется на
А7"= 1 К, t= 60 с. Сопротивление спирали 7?спир = 3,5 Ом, удельная теп-
лоемкость воды Св = 4 186 Дж/(кг • К), удельная теплоемкость стекла
Сст = 840 Дж/(кг • К).
Решение. Коэффициент полезного действия нагревателя
С?полн
бзатр
•100 %,
где О||О|И - количество теплоты, которое пошло на нагревание воды
и калориметра, Дж;
16
Глава 1. Основы теории электротермических установок
С2полн !с>СТ +	’
где О, - количество теплоты, Дж, которое идет на нагревание стеклян-
ного калориметра на ДТ= 1 К;
бет =	АТ = 50  10-3 -840-1 = 42;
QB - количество теплоты, Дж, которое идет на нагревание воды на
ДТ = 1 К;
а = т(РДТ = 100• 10’3 • 4 186• 1 = 418,6;
0полн= 42 + 418,6 = 460,6;
бзатр - количество теплоты, Дж, которое выделит ток, проходя по спи-
рали в течение времени /;
2затр=^Спи/ = 1^42-3,5-60 = 498;
= 460^6 10() % =	6 %
498
Ответ'. т| = 92,36 %.
Пример 2. Определить количество теплоты и мощность, выделяемую
в проводнике длиной / = 1 м квадратного сечения со стороной а = b = 3 см.
Окружающая температура Т = 313 К, I = 20 А, время пропускания тока
t = 2 мин, удельное сопротивление проводника P20 = 2,6 • 10 8 Ом-м,
а = 3,7 • 10 3 Ом-м.
Решение. Площадь проводника, м2,
S = ab = 0,03 ♦ 0,03 = 0,0009.
Количество теплоты, Дж,
е=/2»,
где R — сопротивление проводника, Ом.
17
Часть I. Электротермия
Мощность, выделяемая в проводнике, МВт,
„ _ u2s
pl
где U — напряжение сети, В.
Удельное сопротивление проводника, Ом • м,
р = р20 [1 + а(/ - 20)] = 2,6 • 10’8 [1 + 3,7 • 10’3 (40 - 20)] = 2,79-10’8.
Сопротивление проводника, Ом,
7? = р—= 2,79-10“8—!— = 3,1-Ю’5.
S	0,0009
Q = I2Rt = 202-3,1-Ю’5-120 = 1,49; р = И_$_=22() °’0909 = 1 561.
р/ 2,79-10’8-1
Ответ'. Q -1,49 Дж; Р = 1 561 МВт.
Задачи
1.	Определить площадь плоской металлической однослойной стен-
ки, если известно, что при установившемся режиме тепловой поток через
стенку Q = 30 Вт, толщина стенки / = 0,02 м, температура поверхности
стенки С = 290 К, средняя температура стенки tcp = 315 К, удельный ко-
эффициент теплопроводности стенки X = 0,01, коэффициент 0=1.
2.	Какое количество теплоты выделится в проводнике, радиус кото-
рого г = 5 см, удельное сопротивление р = 1,7 • 10’8 Ом -м, длина сечения
/ = 1 м, при пропускании через него тока напряжением U = 20 В в тече-
ние t = 30 с?
3.	К сети напряжением 220 В и внутренним сопротивлением
г = 0,6 Ом подключен нагреватель сопротивлением R = 14 Ом. За какое
время с помощью этого нагревателя вскипит 3 л воды комнатной темпе-
ратуры? Теплоемкость воды с = 4,2 - 103 Дж/(кг - °C).
4.	Проволочная спираль нагревателя включена в сеть напряжением
U = ПО В, количество теплоты, которое выделяет спираль за 1 мин,
Q = 13 200 Дж. Найти сопротивление спирали в нагретом состоянии.
5.	Рассчитать потери тепла через стенки печи размерами: длина -
3 м, ширина - 3 м, глубина -4 м. Внутренняя температура - 1 200 К,
внешняя — 300 К, коэффициент теплопроводности стенки /ч) = 20 Вт/(м - К).
18
Глава 1. Основы теории электротермических установок
Вопросы для самопроверки
1.	На каком законе основан нагрев проводника сопротивлением?
2.	Каковы отличия теплопередачи при теплопроводности и кон-
векции?
3.	Какие огнеупорные материалы применяют в электропечестроении?
4.	Какими свойствами должны обладать теплоизоляционные мате-
риалы?
5.	Какие материалы относятся к жаропрочным? Каков их состав?
19
Глава 2. ЭЛЕКТРОНАГРЕВ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
2.1.	Электрическое сопротивление
и его физическая сущность
Электрический ток представляет собой направленное движение
электрических зарядов под действием электрического поля. Он может
осуществляться движением только электронов в вакууме, металлах
и материалах, проявляющих свойство сверхпроводимости. Материалы
и вещества, обладающие электронной проводимостью, называют про-
водниками первого рода. Проводящие среды, в которых прохождение
тока обеспечивается движением ионов, называют проводниками второ-
го рода. К ним относятся электролиты - растворы и расплавы. Плазма
имеет смешанную проводимость [7, 19].
Согласно электронной теории у металлов, которые являются кри-
сталлическими веществами, ядра атомов находятся в узлах кристалли-
ческих решеток, а пространство между ними заполнено электронами
(электронный газ). Число свободных электронов в металле очень вели-
ко. Так, для меди оно составляет 1029/м3.
Проводники второго рода - растворы или расплавы кислот солей,
щелочей, оксидов и плазма - имеют два вида электропроводности —
электронную и ионную. При постоянном токе у растворов и расплавов
наблюдается преимущественно ионная проводимость в соответствии
с законом Фарадея. Доля электронного тока в этом случае невелика.
При переменном токе появляется существенная доля электронного тока,
увеличивающаяся с повышением частоты тока. Процессы переноса ве-
щества в этом случае явно не проявляются, так как наступающая в но-
вом периоде полярность электродов аннулирует действие предыдущей.
В плазме наблюдаются оба вида проводимости, причем доля элек-
тронного и ионного токов зависит от давления, температуры и состава
плазмы.
В нагревательных процессах используются оба вида проводников,
причем их тепловая эффективность прямо пропорциональна электрон-
ной составляющей протекающего тока.
Электролизная ванна слабо разогревается протекающим по ней
постоянным током большой силы, а электродный котел на переменном
токе быстро нагревает до кипения слабоминерализованную воду.
20
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
2.2.	Электрическое сопротивление
металлических нагревательных элементов
Конструкции нагревательных элементов определяются как мате-
риалом, так и особенностями технологического процесса и конструкции
установки. Применяемые для изготовления нагревательных элементов
материалы должны обладать высоким удельным электрическим сопро-
тивлением, малым температурным коэффициентом удельного сопро-
тивления, неизменным электрическим сопротивлением нагревательного
элемента в процессе длительного срока его службы. Для изготовления
нагревателей с рабочей температурой до 1 500 К наиболее распростра-
ненными материалами являются нихромы (сплавы никеля и хрома),
фехрали (железохромоалюминиевые сплавы), а также хромоникелевые
жаропрочные сплавы.
Нагреватели из нихрома содержат 75-78 % никеля и около 25 %
хрома. Увеличение содержания никеля в сплаве повышает его рабочую
температуру. Добавка титана способствует увеличению механической
прочности сплава. Хромоникелевые жаропрочные сплавы содержат
22—27 % хрома и 17-20 % никеля, их используют при изготовлении на-
гревательных элементов с рабочей температурой до 1 100 К.
Фехраль - это сплав железа (основа), хрома (до 12-15 %) и алю-
миния (до 3,5-5,5 %). Нагреватели из фехрали работают в установках
с температурой до 1 100 К и выше. Сплавы с содержанием хрома 20-27 %
и микродобавками (бора, титана и др.) способствуют получению рабо-
чих температур в диапазоне 1 470-1 620 К, а в отдельных случаях
и выше.
Нагреватели, изготовленные из нихромов и фехралей, могут
быть открытыми или защищенными. В первом случае конструкция
нагревателя должна быть довольно жесткой, поэтому его изготовляют
из проволоки и ленты больших сечений. Открытые нагревательные
элементы применяются в печах и бытовых нагревательных приборах,
они могут быть проволочными зигзагообразными, проволочными спи-
ральными и ленточными. Диаметр и шаг спирали, а также размеры
зигзагов зависят от толщины проволоки и ленты, способа их крепле-
ния в нагревательной установке и позволяют в некоторых пределах
регулировать температуру нагрева. В зависимости от конструкции на-
гревательного элемента выбирают способ его крепления на футеровке
печи (рис. 2.1).
21
Часть I. Электротермия
Рис. 2.1. Расположение нагревателей в электрических печах: а - на крюках;
б - под подом; в - на полках; г-на выступах; д - в полу; е - на кронштейнах;
ж - в трубах
Рис. 2.2. Схема трубчатого электронагревателя: 1 - металлическая трубка;
2 - изоляционный материал; 3 - спираль
При рабочих температурах нагрева до 1 000 К широко применяют-
ся трубчатые электронагреватели - тэны, представляющие собой
(рис. 2.2) металлическую трубку 1, заполненную теплопроводным элек-
троизоляционным материалом 2, в котором находится электронагрева-
тельная спираль 3. В качестве наполнителя применяется плавленый пе-
риклаз. По сравнению с открытыми электронагревателями, тэны более
электробезопасны, могут работать в воде, жидких углеводородах, жид-
ком металле, расплавах солей, оксидов и в других средах. Они стойки
к вибрациям и механическим нагрузкам. Мощность тэнов — от 100 Вт до
15 кВт, рабочее напряжение - 36-380 В, рабочая температура -
400-1 000 К. Срок службы тэнов - 10-40 тыс. ч и более.
Нагреватели из дисилицида молибдена MoSi2 могут работать не толь-
ко при высокой температуре (2 000 К), но и в окислительной среде.
22
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Их изготавливают методом порошковой металлургии. В окислительной
атмосфере при температуре выше 1 300 К на поверхности нагреватель-
ного элемента происходит образование защитной пленки из оксида
кремния. Работа нагревателя при температуре 2 000 К и выше ведет
к разрушению старого слоя из SiC>2 и образованию нового. В результате
уменьшается площадь поперечного сечения нагревателя и возрастает
его сопротивление, поэтому эксплуатация таких нагревателей при тем-
пературе выше 1 900 К нежелательна.
Керамические электронагреватели используют свойства некото-
рых керамических материалов приобретать высокую электропроводность
с повышением температуры. Таким материалом является, например, ок-
сид циркония, содержащий 4 % оксида кальция или 6 % оксида иттрия.
С помощью этих нагревателей можно достигать температур до 2 300 К.
Сверхвысокотемпературные установки (с рабочей температурой
2 300 К и выше) используют нагревательные элементы, изготовленные
из тугоплавких металлов, графита и угля. Для изготовления нагрева-
тельных элементов из тугоплавких металлов применяют молибден, тан-
тал, вольфрам в виде проволоки, ленты, стержней и листов. Такие на-
гревательные элементы работают лишь в атмосфере инертных газов: ар-
гона, гелия, водорода, азота, а также в вакууме.
Электронагреватели из графита используются в установках с ра-
бочей температурой 1 800-2 700 К, при этом их применение ограничено
из-за интенсивного окисления на воздухе, начиная с температуры 800 К.
Эти нагреватели изготавливают в виде стержней круглого или квадрат-
ного сечения, а также в виде труб длиной до 1 000-1 500 мм.
2.3.	Электротермические установки электрообогрева
Нагревательные установки, использующие электрическую энер-
гию, применяют для сушки изделий после окраски, пропитки, сушки
помещений при строительных работах, подогрева газов для различных
технологических целей, отопления помещений; для разогрева емкостей
с жидкостью, пластичными и вязкими материалами, нагрева твердых
тел и устройств - прессов, штампов; прогрева технологических трубо-
проводов, для прогрева бетона и т. д.
Электрокалорифер представляет собой электронагревательное
устройство, состоящее из нагревательного элемента и вентилятора
23
Часть I. Электротермия
и предназначен для нагрева воздуха и различных газов в технологиче-
ских процессах.
Электрокалориферы с вынужденной конвекцией, обеспечивающей
интенсивный теплообмен, обладают в несколько раз меньшей поверх-
ностью нагрева по сравнению с поверхностями электронагревательных
устройств со свободноконвективным способом теплообмена. При невы-
соких температурах нагревательных элементов (500 К) в электрокало-
риферах применяется закрепленная на изоляторах открытая проволоч-
ная спираль [31].
В отопительных калориферах применяются как простые, так
и оребренные трубчатые электронагреватели, имеющие большую по-
верхность нагрева. Такие калориферы предназначены для нагрева воз-
духа до 400 К в системах воздушного отопления, вентиляции, искусст-
венного климата и в сушильных установках. Отопительный калорифер
состоит из кожуха и трубчатых нагревательных элементов, температура
выходящего воздуха поддерживается автоматически.
В различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве ши-
роко используются радиационные нагреватели. Они передают тепловую
энергию в окружающее пространство излучением. Проникновение из-
лучения в глубь нагреваемого тела зависит от длины излучаемой волны
и прозрачности тела.
Электрические отопительные устройства. Отопление с помощью
электрической энергии экономически оправдано в следующих случаях:
когда для использования другого вида энергии требуются значительные
капитальные затраты - строительство новой котельной; когда есть труд-
ности в обеспечении топливом; когда необходимо учитывать экологиче-
ский фактор - чистоту окружающей среды; когда использование элек-
трической энергии в ночное время выравнивает суточный график элек-
трической нагрузки.
Существуют следующие способы электроотопления: отопление
электрокалориферами с подогревом воздуха; отопление с помощью па-
нельных нагревателей; отопление с использованием низкотемператур-
ного лучистого обогрева.
При отоплении помещений используют теплоаккумулирующие
устройства, которые в ночное время подключают к электрической се-
ти. Они работают на обогрев помещений и одновременно запасают
теплоту в теплоаккумуляторе для использования ее в дневное время
(рис. 2.3).
24
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Мощность теплоаккумулирующей способности установки опреде-
ляют площадью отапливаемого помещения и климатическими условия-
ми местности. Иногда в качестве теплоаккумулирующего элемента
служат электрокотлы большой емкости, обеспечивающие значительное
накопление тепловой энергии. Работа систем с теплоаккумуляторами
положительно сказывается на работе электростанций, обеспечивающих
электрической энергией данный район: при этом варианте электрообог-
рева повышается электрическая нагрузка станций в ночное время, что
способствует выравниванию суточного графика нагрузки и более ра-
циональному использованию мощности системы электроснабжения.
Иногда в качестве нагревающих поверхностей используют пол,
потолок и стены помещения, в которые монтируются нагревательные
элементы. Этот способ отопления, использующий низкотемпературный
обогрев, позволяет уменьшить массу нагревательной установки, полу-
чить высокое распределение температуры в помещении, создать хоро-
шие гигиенические условия и достичь выгодных экономических показа-
телей. Такие отопительные системы бывают двух типов:
1)	системы, в которых теплота выделяется в жестких или гибких
встроенных нагревательных элементах, расположенных на относитель-
но большой площади теплоизлучающей поверхности;
2)	системы с нагревательными кабелями, вмонтированными в теп-
лопроводящий строительный материал, который может перераспреде-
лять тепловой поток.
Выход
воздуха
Вход
воздуха
Рис. 2.3. Электрический тепло-
аккумулирующий нагреватель:
1 - вентилятор; 2 - теплоизо-
ляция; 3 - запасающий теплоту
элемент; 4 - тепловыделяющий
элемент
Рис. 2.4. Схема обогрева помеще-
ния: 1 - настил пола; 2,4- масти-
ка; 3 - теплораспределяющий
слой; 5 - плоский тепловыделяю-
щий проводник; 6 — водозащит-
ный слой; 7 — стекловолокнистая
прокладка; 8 - бетон
25
Часть I. Электротермия
График работы нагревательных установок регулируется в зависи-
мости от температуры в помещении. Обогрев помещений может выпол-
няться и путем укладки в пол специальных тепловыделяющих элемен-
тов, как показано на рис. 2.4.
Установки для прогрева бетона и грунта. Один из рациональ-
ных способов электропрогрева бетона - пропускание через него тока.
Для подвода энергии в массу прогреваемого бетона служат различные
электроды. Их изготавливают из арматуры диаметром 6—10 мм или
стальных полос.
По способу размещения электродов различают: внутренние элек-
троды, закладываемые в тело бетона; нашивные, прикрепляемые к по-
верхности опалубки или щитам со стороны, примыкающей к бетону;
плавающие, укладываемые на открытую поверхность бетона. Рацио-
нальнее групповой способ размещения электродов, когда в каждую фазу
питающей сети включают не один, а группу электродов, обеспечивая
при этом более равномерный прогрев массы.
Для оттаивания грунтов применяют электропрогрев прямым про-
пусканием тока. Оттаивание грунтов можно вести от наружной поверх-
ности к слою талого грунта или в обратном направлении. В первом слу-
чае для электропрогрева применяют горизонтальные и сравнительно
короткие вертикальные электроды. Мерзлый грунт - плохой проводник,
поэтому в начале прогрева на наружную поверхность укладывают смо-
ченный слабым электролитом слой опилок, в котором первоначально
и выделяется тепловая энергия.
Когда возникает необходимость оттаивать грунт на всю глубину
его промерзания, применяют вертикальные глубинные электроды. Их
забивают в грунт сквозь толщу мерзлого слоя на 15-20 см в слой талого
грунта. В начале прогрева электрический ток, проходящий в талом слое,
нагревает его и оттаивает расположенную над ним часть мерзлого слоя.
Для оттаивания грунта применяют электроды диаметром 12—20 мм,
после забивания в грунт их соединяют в три группы для подключения
к трехфазной сети. Длина электродов должна превышать глубину промер-
зания грунта к моменту начала оттаивания на 0,2-0,3 м. Продолжитель-
ность нагрева зависит от толщины оттаиваемого слоя и влажности грунта.
В городском электроснабжении применяется электрический обог-
рев дорожных покрытий на перекрестках, пешеходных тротуаров,
взлетно-посадочных полос в аэропортах с целью предотвращения обра-
зования гололедицы.
26
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
2.4.	Электрические печи сопротивления
В настоящее время электрические печи сопротивления (ЭПС) при-
меняются для технологических операций в различных отраслях народно-
го хозяйства: машиностроении, металлургии, легкой и химической про-
мышленности, строительстве, коммунальном и сельском хозяйстве. Пе-
речень материалов, обрабатываемых в ЭПС, и видов технологических
процессов, проводимых в ЭПС, необычайно широк, что привело к боль-
шому разнообразию конструкций ЭПС, выпуску их и массовым тиражом,
и малыми сериями, и даже в штучных вариантах.
Технологические процессы, проводимые в ЭПС, осуществляют
нагрев главным образом посредством электричества, и лишь в ряде слу-
чаев используется возможность нагрева в вакууме или защитных газах.
Поэтому общие принципы построения печных установок можно свести
к следующему.
По рабочим температурам ЭПС их классифицируют как низкотемпе-
ратурные (900—1 000 К), среднетемпературные (1 000-1 600 К) и высоко-
температурные (выше 1 600 К). Исходя из достигаемых рабочих темпера-
тур ЭПС, применяются различные материалы для изготовления нагрева-
тельных элементов, огнеупорные и теплоизоляционные материалы.
По технологическим процессам, выполняемым в ЭПС, последние
можно поделить на нагревательные и плавильные, по режиму работы -
на периодически и непрерывно действующие. Печи периодического дей-
ствия бывают камерные, камерные с выдвижным подом, шахтные, кол-
паковые, элеваторные; печи непрерывного действия - конвейерные,
толкательные, рольганговые, карусельные, с шагающим подом, с пуль-
сирующим подом, барабанные, протяжные и др.
Все названные ЭПС отличаются друг от друга способом и меха-
низмом помещения нагреваемых тел в рабочее пространство печи. Раз-
меры и мощности печей различны: они определяются необходимой
производительностью, уровнем нагрева и теплофизическими характери-
стиками нагреваемого материала или изделий [29, 30, 32].
Электропечи сопротивления непрерывного действия (методи-
ческие печи). При отработанном технологическом процессе термооб-
работки заготовок с целью увеличения производительности часто при-
меняют непрерывно действующие печи. Согласно требованиям техно-
логического процесса в таких печах кроме нагрева изделий до заданных
температур можно производить их выдержку при этой температуре,
27
Часть I. Электротермия
а также их охлаждение. В этих случаях печи выполняют состоящими из
нескольких зон, протяженность которых зависит от заданных условий
проведения технологических операций.
Иногда печи непрерывного действия объединяют в один полно-
стью механизированный и автоматизированный комплекс, состоящий
из нескольких печей. Такая линия может включать в себя закалочную
и отпускную печи с последующей заключительной обработкой. Печи
непрерывного действия различаются механизмами перемещения нагре-
ваемых изделий в рабочей зоне печи.
Конвейерная печь - это ЭПС непрерывного действия с перемеще-
нием изделий на горизонтальном конвейере. Данная конструкция печи
(рис. 2.5) включает конвейер — полотно, натянутое между двумя валами,
которые приводятся в движение электродвигателями. Предназначенные
для обработки изделия укладываются на конвейер и передвигаются на
нем через рабочее окно печи. Конвейерная лента может быть выполнена
плетеной из нихромовой сетки, штампованных пластин или литых цеп-
ных звеньев, выдерживающих высокую температуру.
Лента конвейера размещается целиком в камере печи и не остыва-
ет, валы же конвейера находятся в очень тяжелых температурных усло-
виях и требуют водяного охлаждения. По этой причине концы конвейе-
ра, как правило, выносят за пределы печи, из-за чего возрастают потери
теплоты в связи с остыванием конвейера у разгрузочных и загрузочных
окон. Нагревательные элементы в конвейерных печах чаще всего раз-
мещаются на своде или в поду (под верхней частью ленты конвейера),
иногда на боковых стенках печи.
Конвейерные нагревательные печи, как правило, применяются для
нагрева мелких деталей до температуры 1 000-1 200 К. При работе с вы-
сокими температурами (выше 1 400 К) применяются печи непрерывного
действия с перемещением изделий проталкиванием вдоль рабочего про-
странства. Такие печи называют толкательными (рис. 2.6). Они приме-
няются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду таких
печей укладывают направляющие в виде труб, рельсов или роликового
пода, изготовленных из жароупорного материала, и по ним в специаль-
ных поддонах перемещают нагреваемые изделия. Поддоны могут быть
сварные или литые.
Загруженные поддоны перемещают электромеханическими или гид-
равлическими толкающими устройствами. Преимуществом таких печей
перед другими типами методических печей является отсутствие необхо-
димости применения сложных деталей из жароупорных материалов.
28
Глава 2. Электронагрев сопротивлением

Рис. 2.5. Схема конвейерной
ЭПС: 1 — теплоизолированный
корпус; 2 - загрузочное окно;
3 — нагреваемое изделие; 4 — на-
гревательные элементы; 5 - кон-
вейер
3
Рис. 2.6. Схема толкательной
ЭПС: 1 — толкатель с привод-
ным механизмом; 2 - нагревае-
мое изделие; 3 — теплоизолиро-
ванный корпус; 4 - нагрева-
тельные элементы; 5 - подина
печи; 6 - закалочная ванна
Недостатком этих печей является наличие поддонов, что ведет
к увеличению тепловых потерь и к повышенному расходу электриче-
ской энергии, ограниченный срок службы поддонов из-за выгорания
металла.
Печи толкательного типа, предназначенные для нагрева крупных
заготовок правильной формы, выполняют без поддонов. Водородные
толкательные печи предназначены для различных технологических
процессов, требующих нагрева в водороде или диссоциированном ам-
миаке. Они широко применяются при производстве металлокерами-
ческих деталей и твердых сплавов, для обжига и спекания керамики, для
отжига и пайки металлических изделий.
Электропечи сопротивления для плавки металлов. В конст-
рукциях печей этого типа производится выплавка цветных металлов
и сплавов олова, свинца, цинка и различных сплавов, имеющих темпе-
ратуру плавления 600-800 К. Главным достоинством этих печей являет-
ся простота конструкции, источников питания и технологического про-
цесса, благодаря чему были созданы автоматизированные разливочные
агрегаты с применением микропроцессоров и роботов-манипуляторов.
Электропечи сопротивления подразделяются на тигельные и ка-
мерные. Тигельные печи (рис. 2.7) представляют собой металлический
сосуд — тигель 3 (из чугуна, с внутренней обмазкой специальными ок-
сидами), помещаемый в огнеупорный цилиндрический корпус 5, защи-
щенный снаружи металлическим кожухом 6. Между тиглем и футеров-
кой размещают электрические нагреватели 4.
29
Часть I. Электротермия
Рис. 2.7. Тигельная ЭПС: 1 — желоб; 2 - механический вытеснитель;
3 — тигель; 4 - нагреватель; 5 — футеровка; 6 - кожух
Представленная на рис. 2.7 тигельная ЭПС оборудована механиче-
ским дозатором и применяется в массовом производстве. Дозирование ме-
талла в промежуточный ковш робота-манипулятора или литейную форму
производится с помощью механических, пневматических или электромаг-
нитных устройств. В данной конструкции печи механический вытесни-
тель 2 размещен на каретке, движущейся вверх и вниз по направляющей
колонке. В результате расплавления металла и доведения его температуры
до необходимого уровня вытеснитель погружается в тигель и вытесняет
порцию металла, которая по желобу 1 поступает в литейную машину.
Камерные печи по размерам больше тигельных печей, их приме-
няют для переплавки алюминия в слитки.
Удельный расход электроэнергии в ЭПС ванного типа составляет
600—650 кВт-ч/кг, КПД — 60—65 %. Во всех типах ЭПС возможны два
способа обогрева — внутренний и внешний. При внутреннем обогреве
ТЭНы размещаются в расплавленном металле и обеспечивают рабочую
температуру 800-850 К. При внешнем расположении открытые высоко-
температурные нагреватели обеспечивают рабочую температуру печи
1 100-1 200 К.
30
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Установки прямого (контактного) нагрева. В установках пря-
мого нагрева преобразование электрической энергии в тепловую происхо-
дит в нагреваемом материале изделия при непосредственном его подклю-
чении к источнику питания по закону Джоуля — Ленца. Такой нагрев
эффективен для термообработки изделий, обладающих равномерным
сечением по длине и значительным электрическим сопротивлением.
Прямой нагрев характеризуется высокой скоростью, пропорционально
вводимой мощности, и высоким КПД. Принципиальная схема прямого
нагрева представлена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Схема прямого нагрева: 1 - водоохлаждаемые зажимы;
2 - нагреваемое изделие; 3 - печной трансформатор
Данная установка прямого нагрева имеет следующие основные узлы:
1)	силовой понижающий трансформатор с обмоткой, охлаждаемой
водой, и несколькими ступенями напряжения 5-25 В, позволяющей
осуществлять нагрев тел, имеющих разное сопротивление;
2)	токопровод от обмотки низкого напряжения трансформатора до
водоохлаждаемых зажимов;
3)	водоохлаждаемые зажимы, обеспечивающие надежное крепле-
ние нагреваемого изделия;
4)	привод контактной системы;
5)	контрольно-измерительные приборы и блок автоматического
регулирования процесса нагрева.
Печи прямого нагрева применяют также для графитизации уголь-
ных изделий, получения карборунда и других материалов. Графитиро-
вочные печи выполняют однофазными, прямоугольной формы с разъем-
ными стенками. Технологический процесс в них идет при температуре
2 600-3 100 К в вакууме или нейтральной среде. Регулирование вторич-
ного напряжения осуществляется в пределах 100—250 В, потребляемая
мощность таких печей составляет 5—15 тыс. кВт • А.
31
Часть I. Электротермия
2.5.	Электрооборудование печей сопротивления
Современные электропечи сопротивления имеют мощность от до-
лей киловатта до нескольких мегаватт. Печи мощностью более 20 кВт,
как правило, выполняют трехфазными и подключают к сетям напряже-
нием 220, 380, 660 В напрямую или через печные трансформаторы. Ко-
эффициент полезного действия ЭПС близок к единице, распределение
нагрузки по фазам в печах равномерное [8, 29].
Электрическое оборудование в ЭПС подразделяется на силовое обо-
рудование, аппаратуру управления, измерительную и пирометрическую
аппаратуру.
Силовое оборудование включает: трансформаторы; понижающие
и регулировочные автотрансформаторы; блоки питания, приводящие
в действие механизмы электроприводов; силовую коммутационную
и защитную аппаратуру (рубильники, контакторы, магнитные пускате-
ли, выключатели и предохранители).
Основную массу печей изготавливают на напряжение питающей
сети, поэтому они не нуждаются в трансформаторах и автотрансформа-
торах. Применение понижающих печных трансформаторов увеличивает
рабочие токи, что повышает прочность и надежность трансформаторов.
Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы целесо-
образно применять, когда печь оснащается нагревателями, меняющими
свое сопротивление в зависимости от температуры (вольфрамовые, гра-
фитовые, молибденовые), а также для питания соляных ванн и устано-
вок прямого нагрева.
Как правило, промышленные ЭПС работают в режиме автомати-
ческого регулирования температуры, т.е. поддерживается соответствие
мощности печи требуемому температурному режиму, что ведет к сни-
жению удельного расхода электроэнергии.
Мощность печи регулируется следующими тремя способами:
1)	периодическое подключение и отключение печи к питающей
сети (двухпозиционное регулирование);
2)	переключение нагревателей печи со схемы «звезда» на схему
«треугольник»;
3)	переключение последовательного соединения на параллельное
(трехпозиционное регулирование).
Двухпозиционное регулирование температуры в рабочем про-
странстве ЭПС предусматривает контроль термопарами, термометрами
32
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
сопротивления, фотоэлементами. Блок-схема включения печи и график
изменения температуры и мощности при таком способе регулирования
показаны на рис. 2.9.
Вследствие поглощения теплоты нагреваемым изделием и потерь
в окружающую среду уровень температуры снижается, после чего регуля-
тор температуры вновь дает команду на подключение печи к сети. Диапа-
зон колебания температуры зависит от чувствительности регулятора тем-
пературы, инерционности печи и чувствительности датчика температуры.
При трехпозиционном регулировании подводимая к печи мощ-
ность изменяется путем переключения нагревателей со схемы «звезда»
на схему «треугольник». Регулирование температуры данным способом
снижает мощность, потребляемую из сети, что ведет к экономии элек-
троэнергии. Такой метод регулирования весьма эффективен, так как он
не оказывает негативного влияния на питающую сеть. Регулирование
мощности печи путем изменения питающего напряжения возможно не-
сколькими способами:
а)	применение регулировочных трансформаторов и автотрансфор-
маторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой;
б)	применение потенциалов-регуляторов;
в)	включение дополнительных сопротивлений в виде дросселей
и реостатов в цепь нагревателей;
г)	импульсное регулирование при помощи тиристорных регуляторов.
Рис. 2.9. Блок-схема включения печи (а) и график изменения температуры
и мощности при двухпозиционном регулировании (б): В — выключатель;
КВ - катушка выключателя; ЭП — электропечь; РТ — регулятор температуры;
1 - температура печи; 2 - температура нагреваемого тела; 3 - средняя
потребляемая печью мощность; t — максимальное значение температуры;
4Д - заданное значение температуры; т - время
33
Часть I. Электротермия
Рис. 2.10. Схема импульсного регулирования мощности печи:
ТР - тиристорный регулятор; УТ - блок управления тиристорным
регулятором; ЭП - электропечь; РТ - регулятор температуры
Применение трансформаторов с плавным бесконтактным регули-
рованием под нагрузкой, автотрансформаторов и потенциалов-
регуляторов требует значительных энергетических затрат, дополни-
тельных потерь и потребления реактивной мощности. В связи с этим та-
кое регулирование температуры применяется в редких случаях.
Импульсное регулирование с применением тиристорных элемен-
тов осуществляется с помощью управляемых полупроводниковых вен-
тилей, периодичность работы которых рассчитывают в зависимости от
тепловой инерционности электропечи. На практике рассматривают три
главных способа импульсного регулирования потребляемой мощности
от сети (рис. 2.10):
1)	регулирование при помощи импульсов при равенстве частоты
коммутации удвоенной частоте сети (/к =2/с, где fK - частота комму-
тации; fc — частота тока питающей сети) с изменением момента отпира-
ния тиристора называется фазовым (рис. 2.10, tz);
2)	регулирование при помощи импульсов с повышенной частотой
коммутации: /к > fc (рис. 2.10, б);
3)	регулирование при коммутации с пониженной частотой, когда
/к <Л (Рис- 2-10> 6)-
Применяя тиристорные установки, можно получить плавное ре-
гулирование мощности в широких пределах, причем без дополни-
тельных потерь, обеспечивая необходимую мощность, потребляемую
печью.
34
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
2.6.	Электронагрев растворов и расплавов
Электрические котлы. Жидкие вещества (вода, расплавы солей,
щелочей, оксидов) можно нагреть прямым пропусканием тока через их
объем. Такие установки применяют для кипячения воды, варки стекла,
термообработки металлов и других процессов [19].
Электронагреватель прямого действия состоит из цилиндрическо-
го стального сосуда, на верхней крышке которого расположены стерж-
невые электроды и охватывающие их трубчатые антиэлектроды. Между
ними помещают стеклотекстолитовые цилиндры. Мощность котла ре-
гулируют изменением положения изоляционных цилиндров относи-
тельно системы электродов и антиэлектродов.
Как правило, номинальный режим работы котла рассчитывается
на нагрев воды с удельным электрическим сопротивлением 30 Ом.
Рис. 2.11. Схема электродного парогенератора: 1 - подвод воды; 2 - дно
обечайки; 3 - нулевой электрод; 4 - корпус; 5 - токопровод; 6 - крышка;
7 - изоляторы; 8 - отвод пара; 9 - шпилька; 10 - фазный электрод;
11 - днище; 12 - дренаж; 13 - опора
35
Часть I. Электротермия
Изменение плотности рабочей воды с целью получения расчетно-
го удельного электрического сопротивления достигается добавлением
в систему или раствора соли, или дистиллированной воды.
Рабочая температура нагретой воды автоматически поддерживает-
ся в нужных пределах датчиком регулирующего термометра.
Электрический парогенератор состоит из парогенератора, пита-
тельного бака, насоса, соединительных трубопроводов, приборов кон-
троля и управления. Принципиальная схема электродного парогенератора
показана на рис. 2.11. У парогенератора имеются электроды цилиндриче-
ской формы 10 и нулевой электрод 3, выполненный в форме обечайки.
Мощность парогенераторов регулируется за счет изменения уровня воды
между фазными электродами и нулевым электродом. Парогенератор рабо-
тает в автоматическом режиме.
Стекловаренные печи представляют собой ванны, выложенные
изнутри огнеупорными материалами. Ванна имеет три зоны (отделения):
в первой (варочное отделение) плавят шихту и получают жидкую стек-
ломассу, во второй зоне корректируют рецепт стекла, перетекающего
в следующее отделение для выдержки с заданной по технологии темпе-
ратурой. Во всех отделениях в стекломассе находятся электроды: из ста-
ли (первая зона), молибдена (вторая зона), графита (третья зона), обеспе-
чивающие протекание тока через стекломассу и нагрев ее по закону
Джоуля - Ленца.
Мощность стекловаренных печей колеблется от нескольких сотен
до нескольких тысяч киловатт. Они питаются от понижающих транс-
форматоров с вторичным напряжением от 50 до 200 В. Как правило, та-
кие печи работают круглосуточно.
Жидкостные ЭПС для нагрева металла. С целью быстрого и рав-
номерного нагрева металлических изделий и заготовок применяются
электродные ванны, которые состоят из металлического или керамиче-
ского тигеля, наполненного солью или стекломассой, в который опуще-
ны металлокерамические электроды. В холодном состоянии соль почти
неэлектропроводна. При ее нагревании и расплавлении между электро-
дами начинает протекать электрический ток, и в расплаве, как в актив-
ном сопротивлении, выделяется огромное количество тепловой энергии.
Теплофизические свойства расплавленных солей, щелочей и окси-
дов обеспечивают интенсивный теплообмен между средой и погружен-
ными в нее металлическими предметами. Находясь в расплаве, изделия
36
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
надежно защищены от окисления, эта защита сохраняется и после вы-
емки изделий из расплава, за счет тонкой пленки, остающейся на них.
Печи сопротивления с жидким нагревателем применяют для нагре-
ва изделий из легированных сталей до 1 100-1 600 К перед закалкой,
ковкой или штамповкой, а также для отжига деталей из стали и чугуна.
Электродные ванны подключают к электрической сети переменного тока
через понижающие трансформаторы с вторичным напряжением 10-35 В.
Размещение электродов в объеме ванны возможно с дальним и близким
расположением. Наибольшее применение получили ванны с близким
расположением электродов, погруженных или утопленных в расплав
вещества.
Максимально допустимая плотность тока на электродах находится
в пределах 1-2 А/см2. В качестве вещества рабочей среды чаще всего
применяют хлористые, фтористые, азотнокислые соли, а также щелочи
либо в чистом виде, либо в различных смесях, которые позволяют снизить
температуру плавления и обеспечить достаточный уровень электропро-
водности. Для начала работы ванны или расплавления застывшего элек-
тролита применяют пусковые нагреватели, которые устанавливают на
каркасе с постепенным погружением в ванну с расплавленным составом.
Достоинствами соляных ванн являются: высокие скорость нагрева
и производительность по сравнению с другими нагревательными уста-
новками при равных геометрических размерах; простота различных
способов термической и термохимической обработки изделий; защита
от окисления поверхности изделий в процессе их обработки.
Недостатками соляных ванн являются: повышенный удельный рас-
ход электроэнергии из-за больших тепловых потерь с зеркала ванны
и необходимости непрерывной работы установки (ввиду сложности во-
зобновления работы установки после ее отключения); высокий расход
расплавообразующего материала; тяжелые условия труда обслуживающе-
го персонала вследствие высоких температур технологического процесса.
2.7.	Нагрев электрошлаковых установок
Практическое использование разогрева расплава соединений шла-
ка до 2 000—2 300 К проходящим по нему электрическим током было
положено в основу технологических процессов электрошлакового пере-
плава (ЭШП) и электрошлаковой сварки (ЭШС) [16].
37
Часть I. Электротермия
Электрошлаковый переплав. Принцип работы установки ЭШП
заключается в следующем (рис. 2.12). Расходуемый электрод 1 из пе-
реплавляемого металла погружают в слой электропроводного шлака 2,
находящегося в водоохлаждаемом кристаллизаторе 3, закрытом водо-
охлаждаемым поддоном 4. Электрический ток пропускают между
электродом и поддоном через шлак, он имеет высокое электрическое
сопротивление и активно разогревается по закону Джоуля — Ленца.
Опущенный в расплав шлака торец электрода расплавляется, и капли
металла, стекающие с электрода, проходят через шлак, в нем дополни-
тельно разогреваются, очищаются от примесей и собираются на дне
кристаллизатора. В результате прекращения поступления тепла в под-
дон и стенки кристаллизатора скапливающийся металл 5 застывает
в виде слитка, в верхней части которого находится ванна расплавлен-
ного металла 6. По мере оплавления электрод подается вниз, чем обес-
печивается непрерывность процесса.
Главными факторами, влияющими на улучшение качества металла
при обработке в установках ЭШП, являются: химическое взаимодейст-
вие со шлаком; направленная кристаллизация слитка; формирование
слитка в шлаковом гарнисаже 7 (слой между стенкой кристаллизатора
и слитком) с образованием гладкой поверхности.
Рис. 2.12. Схема установки ЭШП: 1 - электрод; 2 - слой электропроводного
шлака; 3 - кристаллизатор; 4 - поддон; 5 - скапливающийся металл;
6 - ванна; 7 - шлаковый гарнисаж
38
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Основное назначение установок ЭШП - производство слитков из
высококачественных сталей, предназначенных для изготовления шари-
коподшипников и других ответственных деталей, работающих в крайне
тяжелых условиях эксплуатации.
Технологический режим печей характеризуется наличием перио-
дических пульсаций электрического тока, связанных с образованием
стекающих капель металла и меняющимся значением межэлектродного
промежутка в процессе работы.
В соответствии с техническим заданием форма выплавляемого
слитка может быть круглая, прямоугольная, квадратная, трубчатая, фа-
сонная и другая, поэтому печи для производства заданных слитков име-
ют различные параметры и конструктивное исполнение. По числу одно-
временно переплавляемых в один кристаллизатор электродов печи ЭШП
могут быть одно-, двух-, трех- и многоэлектродными (рис. 2.12, 2.13).
Количество и форма переплавляемых электродов определяются усло-
виями производства и электрической схемой ЭШП. При выборе ЭШП
для технологического процесса специалисты стремятся к увеличению
коэффициента заполнения кристаллизатора, что позволит оптимизиро-
вать конструктивное исполнение ЭШП.
Для получения слитков прямоугольного сечения применяется спе-
циальная двухфазная бифилярная печь (рис. 2.13, а), главным преимуще-
ством которой по сравнению с обычными однофазными печами является
более высокий коэффициент мощности (до 0,9). Более того, у нее мень-
ший удельный расход электроэнергии. В ней возможно одновременное
выплавление двух слитков по схеме с последовательным подключением
двух печей к одному трансформатору (рис. 2.13, б).
Рис. 2.13. Электрические схемы печей ЭШП: а - двухэлектродная однофазная
с бифилярным токопроводом; б - то же, для получения двух слитков
39
Часть I. Электротермия
Таблица 2.1
Параметры печей ЭШП
Параметр	ЭШП-2,5 ВГ	ЭШП-10 Г	ЭШП-20 ВГ
Мощность источника питания, кВ • А Максимальный ток, А	1 600 21 000	2 500 28 000	5 000 50 000
Такой вариант электроснабжения обеспечивает высокие технико-
экономические показатели вследствие сокращения протяженности то-
копроводов и существенного уменьшения производственной площади,
занимаемой печью ЭШП. Главные параметры печей ЭШП представле-
ны в табл. 2.1.
Промышленность выпускает две модификации печей ЭШП. Одна
из них осуществляет переплав в неподвижном глухом кристаллизаторе.
По другой же схеме кристаллизатор перемещается в процессе переплава
относительно переплавляемого слитка или слиток перемещается относи-
тельно неподвижного кристаллизатора. В отечественных конструкциях
предпочтение отдается печам с перемещаемым кристаллизатором, что
облегчает воздействие на шлаковую и металлическую ванны и слиток,
обеспечивая тем самым более эффективную эксплуатацию таких печей.
С учетом технологических особенностей работы установок ЭШП
они могут снабжаться следующими четырьмя приводами:
привод перемещения электродов обеспечивает непрерывную или
периодическую подачу электродов в шлаковую ванну;
приводы перемещения кристаллизатора бывают двух типов: приво-
ды для монтажных перемещений и приводы для монтажных и рабочих пе-
ремещений кристаллизатора во время плавки. Различают два вида кристал-
лизаторов — изложницы и скользящие кристаллизаторы. Первые применя-
ются при плавке с неподвижным кристаллизатором, другие — при плавке
с перемещаемым кристаллизатором или вытягиваемым слитком металла;
привод поддона. Поддоны предназначены для охлаждения торца
слитка или для подвода электрического тока к слитку. Конструктивно
они состоят из медной плиты и стального корпуса, к которому подво-
дится вода для его охлаждения. Медная плита имеет контактный болт
для подсоединения токопровода;
привод тележки поддона для выгрузки готового слитка из кри-
сталлизатора.
Печи ЭШП питаются от специальных печных трансформаторов,
отличающихся высоким коэффициентом трансформации и различным
40
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
числом ступеней напряжения, переключение которых возможно под на-
грузкой. Токопровод печи состоит из короткой электрической сети
и электродов. К данной сети относятся шинопровод из медных шин,
верхняя и нижняя кабельные гирлянды и трубошины для подведения
к электродам электрического тока.
Технологический процесс переплавки в печах ЭШП делится на
вспомогательный, подготовительный и основной циклы.
Во время вспомогательного цикла печь готовят к плавке следую-
щими технологическими операциями: охлаждение слитка в кристалли-
заторе после предыдущей плавки; выгрузка слитка и застывшего шлака
из печи; снятие огарков электрода и установка новых электродов в элек-
трододержатель; чистка кристаллизатора и поддона; окончательная
сборка и подготовка печи к следующему циклу.
По окончании вспомогательного цикла приступают к наведению
шлаковой ванны в кристаллизаторе - подготовительный цикл. Перед
пуском печи ЭШП применяют твердый или жидкий старты процесса.
При твердом запуске шлак расплавляют прямо в кристаллизаторе печи
с помощью расходуемого электрода и запальных смесей. При жидком
старте шлак предварительно расплавляют в специальных печах и уже
готовый заливают в кристаллизатор.
Во время основного цикла плавки производится наплавление
слитка - это переплав металла и вывод усадочной раковины. Для вы-
вода раковины в конце плавки постепенно снижают подводимую
к ванне мощность. Продолжительность переплава зависит от химиче-
ского состава металла и шлака, а также от размеров полученного
слитка.
Электрошлаковая сварка (ЭШС) широко используется для со-
единения металлов большой толщины из стали, чугуна, меди, алюми-
ния, титана и их сплавов. В качестве тепловыделяющего элемента
в этой технологии используют расплавленные шлаки, нагретые до за-
данной температуры при протекании по ним переменного тока.
Принципиальная схема ЭШС показана на рис. 2.14. Электрод 3
и части свариваемого изделия 1 включают в электрическую цепь через
шлак 2, нагреваемый при помощи электрического тока выше темпера-
туры плавления свариваемого и электродного металлов. Таким образом
электродный и свариваемый металлы расплавляются и стекают на дно
сварочной ванны 5, заполняя шов 4. Боковые стороны шва закрываются
ползунами, охлаждаемыми с помощью воды.
41
Часть I. Электротермия
Рис. 2.14. Схема ЭШС: 1 - свариваемое изделие; 2 — шлак; 3 — электрод;
4 - шов; 5 — дно сварочной ванны
Таблица 2.2
Химический состав и свойства флюсов
Марка флюса	Химический состав, %				Температура плавления, °C	Удельное элек- трическое сопро- тивление, Ом-м
	CaF2	А12Оз	СаО	MgO		
АНФ-1П	95	—	5	—	1 300-1 410	0,0015-0,0020
АНФ-6	70	30	—	—	1 320-1 340	0,0030-0,0035
АН-291	18	40	25	17	1 450	0,0037-0,0040
Управление ЭШС осуществляется автоматами и полуавтоматами,
подающими электродную проволоку и флюс (табл. 2.2). Источники пи-
тания ЭШС могут иметь разные внешние характеристики (от крутопа-
дающей до жесткой), их мощность варьирует от 60 до 550 кВ-А, вто-
ричное напряжение — от 8 до 63 В переменного тока.
> Итак, электронагрев широко используется в процессах пере-
плава различных металлов. Кроме того, он нашел применение в элек-
трошлаковой сварке при соединении массивных металлических деталей.
Однако существуют и другие способы соединений металлических дета-
лей. Одним из таких способов является контактная сварка, которой
и будет посвящена следующая глава.
42
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Рассчитать площадь сечения одного проволочного нагре-
вателя. Удельная поверхностная мощность нагревателя W = 0,88 Вт/см2,
размеры нагревателя: а = 3,8 м, b = 2,4 м; удельное сопротивление мате-
риала при рабочей температуре р = 1,46 • 10”6 Ом • м. Принимаем, что на-
греватели соединены по схеме «звезда», фазное напряжение U= 127 В.
Решение. Определим площадь нагревателя, м2:
F = cz£ = 3,8-2,4 = 9,2.
Найдем тепловую мощность нагревателя, кВт:
F = FPF 10-3 = 0,88-10* 4-9,2 10-3 = 80,96.
Определим диаметр нагревателя, м:
d = ^4F2p • Ю5 )/(л2£ж) =
= д/4-80,962 -1,46-10’6 -105 /3,142 -127-0,88-Ю4 =0,013.
Площадь сечения проволочного нагревателя, мм2,
5 = л2б/74 = 3,142 - 132 / 4 = 416,57.
Ответ: площадь сечения проволочного нагревателя $ = 416,57 мм2.
Пример 2. Определить коэффициент мощности cos <р для установки
печи сопротивления при суммарной установленной мощности FH = 189 кВт,
коэффициент спроса Кс = 0,75, tg ср = 0,8.
Решение. Коэффициент мощности
cos(p = Pp/Sp.
Расчетная активная загрузка
F = FF =0,75-189 = 141,75 кВт.
Р	U Н	у	у
43
Часть I. Электротермия
Полная загрузка
Расчетная реактивная загрузка
2р = Pptgq> = 141,75 • 0,8 = 113,4 кВт;
5р = д/141,752 +113,42 =181,5 кВт;
coscp = 141,75/181,5= 0,78.
Ответ', коэффициент мощности cos ср = 0,78.
Задачи
1.	Определить напряжение в проводнике из нихрома при темпера-
туре проводника 40 °C, который намотан на цилиндр длиной 0,5 м, ра-
диусом 0,02 м. Проводник прямоугольного сечения (сторона, приле-
гающая к цилиндру): b = 5 мм, а = 2,5 мм; мощность, выделяющаяся
в проводнике, Р = 3 Вт.
2.	Определить время протекания электрического тока по проводни-
ку, если количество выделяющейся в проводнике теплоты Q = 1 875 Дж,
сила тока I = 2,5 А, напряжение U = 60 В, радиус проводника г = 3 мм,
его длина Z = 3 м. Мощность, выделяющаяся в проводнике, Р = 30 Вт.
3.	Определить коэффициент мощности ЭПС при фазово-импульс-
ном регулировании, если известно напряжение сети Uc = 380 В, полный
ток 1= 105 А, основная гармоника тока Д = 85 A, cos ср = 0,8, коэффици-
ент искажения v = 0,6, реактивная мощность Q= 17,6 квар.
4.	Определить А - удельный расход электроэнергии печи ЭПС для
нагрева стальной заготовки весом 1 960 т, если известна часовая произ-
водительность печи g = 16,3 т/ч, мощность тепловых потерь в трех фа-
зах печи Рт.п = 2 264 кВт, полезная мощность РПолезн = 5 000 кВт. При
расчете необходимо учесть изменение удельного расхода электроэнер-
гии. Понижение U питающей сети на 10 % приводит к снижению мощ-
ности на 17 %.
5.	Найти мощность, которая выделится в проводнике из нихрома
радиусом сечения 40 мм, длиной 100 м при подаче на него напряжения
6 кВ. Сопротивление проводника - 0,78 Ом.
44
Глава 2. Электронагрев сопротивлением
Вопросы для самопроверки
1.	Какие проводники являются проводниками первого рода, а ка-
кие - второго рода?
2.	Какие материалы наиболее широко применяются для изготовле-
ния нагревательных элементов?
3.	Из каких основных элементов состоит электрокалорифер?
4.	Как классифицируют электрические печи сопротивления по
технологическим процессам?
5.	Какие металлы плавят в ЭПС и почему?
6.	Что относят к основным узлам установок ЭПС прямого действия?
45
Глава 3. КОНТАКТНАЯ СВАРКА
3.1.	Физические процессы при контактной сварке
Контактная электрическая сварка - это процесс получения
неразъемного соединения в результате нагрева металлических деталей
протекающим по ним электрическим током, который предусматривает
сжатие деталей с последующим расплавлением зоны сварки и охлажде-
нием [1, 7].
Установки для контактной сварки имеют две основные части:
электрическую и механическую. Электрическая часть состоит из сва-
рочного трансформатора специальной конструкции, токопроводящих
частей и устройств для коммутации сварочного тока. Механическая
часть установки является устройством для импульсного сжатия деталей
во время прохождения импульса электрического тока.
Этот вид соединения деталей объединяет несколько способов
сварки, для которых характерны надежность сварных соединений, вы-
сокий уровень автоматизации и механизации, высокая производитель-
ность процесса, культура производства и экологичность.
Различают три вида контактной сварки: стыковую, точечную
и шовную (рис. 3.1). От сварочного трансформатора Т ток к соединяе-
мым деталям 2 подводится посредством водоохлаждаемых электродов 1.
В месте сварки 3 происходит сваривание деталей за счет выделяющейся
джоулевой теплоты. Количество энергии Q (Дж), выделяющейся между
электродами, можно определить по формуле
е=рк(т) + Яд(т)]/2(г)<1г,
О
где Як - контактное сопротивление между деталями, Ом; т - время про-
хождения тока, с; Яд - сопротивление детали от электрода до места
сварки, Ом; I - сварочный ток, А.
Необходимая для сварки энергия при малых значениях сопротив-
ления в точке контакта свариваемых деталей может быть получена толь-
ко при больших значениях токов (сотни и тысячи ампер), протекающих
через сопротивление контакта Як в течение малого времени (единицы се-
кунд). Для повышения КПД контактной сварки необходимо, чтобы при
46
Глава 3. Контактная сварка
размещении сварочных установок источники питания были максимально
приближены к месту сварки. Напряжение на электродах сварочных машин
колеблется от 1 до 16 В.
Соединение металла происходит в месте контакта свариваемых
деталей по плоскости их соприкосновения. В данном месте сопротивле-
ние будет наибольшим. Поверхность металла не является идеально
гладкой, поэтому свариваемые детали при их сжатии соприкасаются
лишь в отдельных точках, через которые проходит электрический ток.
Ввиду того что площадь точек очень мала, в них возникает большое со-
противление прохождению тока, что обеспечивает сильный местный
нагрев металла. Повышение температуры в месте сварки вызывает рост
сопротивления, что ускоряет выделение теплоты и нагрев металла до
температуры сваривания. При нагреве металлических деталей до пла-
стического состояния и их сжатии происходит сваривание. Остывание
металла в точке сварки после отключения тока происходит быстро, за
счет теплопроводности свариваемых деталей и их большой площади.
Рис. 3.1. Виды контактной сварки: а — стыковая; б — точечная; в — шовная;
1 - электроды; 2 - детали; 3 - место сварки; FcyK - сила сжатия;
R3 - сопротивление электродов; 7?д - сопротивление деталей;
RK — сопротивление контакта; Т — сварочный трансформатор
47
Часть I. Электротермия
При контактной сварке нагрев зависит от времени прохождения то-
ка. Нагревать детали можно очень быстро, используя токи большой си-
лы, и наоборот. Режимы сварки с применением токов большой силы при
минимальном времени нагрева называют жесткими. Они применяются
при сварке легированных сталей и легкоплавких цветных металлов, на-
пример алюминия и его сплавов, и имеют следующие параметры: плот-
ность тока сварки j = 160-400 А/мм2; усилие сжатия Р = 0,4-1,2 ГПа;
время сварки tCB = 0,1-1,0 с.
Режим с длительным прохождением тока и постепенным нагревом
называют мягким. Он применяется при сварке обычных углеродистых
сталей, менее чувствительных к нагреву при сварке, и имеет следующие
параметры: j = 80-160 А/мм2; Р = 0,15-0,4 ГПа; /св = 0,5-3 с.
3.2.	Стыковая сварка
Стыковая сварка - способ контактной сварки, при котором детали
соединяются по всей площади их касания. Различают два способа сты-
ковой сварки - сопротивлением и оплавлением.
При сварке сопротивлением (рис. 3.1, а) свариваемые детали 2 укре-
пляют в токоподводах и сжимают с усилием FcyK. При пропускании по ним
тока происходит нагрев деталей в стыке 3 до температуры, близкой к тем-
пературе плавления металла - (0,8-0,9)7^. Затем резко увеличивают уси-
лие сжатия (осадка деталей), в результате чего в твердой фазе образуется
сварное соединение.
Сварку оплавлением подразделяют тоже на два способа: на сварку
непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.
В процессе сварки непрерывным оплавлением детали сближаются
при включенном сварочном трансформаторе, и при сжатии возникает их
контакт. Стык при этом разогревается за счет протекания тока. Затем силу
сжатия уменьшают, вследствие чего увеличивается контактное сопротив-
ление и снижается сварочный ток. При снижении давления сплошность
соприкосновения деталей заменяется соприкосновением в отдельных точ-
ках. Эффективность нагрева в этих точках повышается, и выступающие
участки оплавляются.
Оплавление торцов свариваемых деталей продолжается до обра-
зования прослойки жидкого металла. После этого возникает сплошное
металлическое соединение свариваемого стыка за счет приложения
48
Глава 3. Контактная сварка
небольшого усилия осадки. Лишний расплавленный металл, называе-
мый гратом, выдавливается из зазора между свариваемыми деталями.
При сварке оплавлением с подогревом детали предварительно подог-
реваются методом кратковременных замыканий их торцов, а затем оплав-
ляются. Сварка с оплавлением стыка деталей по сравнению со сваркой без
оплавления имеет ряд преимуществ: более прочный шов, не требующий
большой механической обработки; меньшая мощность сварочной уста-
новки; меньший удельный расход электроэнергии; возможность сварива-
ния разнородных металлов.
Конструкция и сварочный контур машин стыковой сварки приве-
дены на рис. 3.2. Установки для стыковой сварки подразделяют по спо-
собу сварки (без оплавления стыка и с его оплавлением), назначению
(универсальные и специализированные) и способу установки (стацио-
нарные и переносные). Они различаются мощностью, типом зажимных
устройств и механизмом подачи свариваемых деталей.
По способу осадки деталей сварочные машины делят на три груп-
пы. Первая группа машин снабжается рычажно-эксцентриковым меха-
низмом подачи и осадки, а также устройством для отжига металла зоны
сварки непосредственно в зажимах машины.
Рис. 3.2. Конструкция (а) и сварочный контур (б) машины стыковой сварки:
1 - источник тока; 2 - станина; 3 — токоподводы; 4 - неподвижная плита;
5 - губки; 6, 7 - зажимные устройства; 8 - подвижная плита; 9 - привод
подачи; 10 - направляющие; 11 - аппаратура управления; FcyK - сила сжатия
деталей; Foc - сила осадки деталей
49
Часть I. Электротермия
Машины второй группы предназначены для сварки оплавлением
и оплавлением с подогревом деталей из сталей и цветных сплавов. Их
также используют и для сварки сопротивлением, для чего предусмотрен
отдельный пружинный привод осадки.
Сварочные машины первых двух групп имеют ручной рычажный
привод подачи и осадки. Сварочный ток выключается в конце осадки.
Третья группа машин производит сварку непрерывным оплавлени-
ем в автоматическом и полуавтоматическом цикле с предварительным
подогревом концов свариваемых деталей. Машины имеют электромеха-
нический привод, который обеспечивает непрерывное оплавление
и осадку Foe. Зажимные устройства деталей имеют пневмогидравличе-
ский привод, а устройство подачи и осадки — гидравлический.
Универсальные сварочные машины используются для сварки раз-
личных деталей, а специализированные - для сварки однотипных деталей.
3.3.	Точечная сварка
При точечной сварке соединяемые детали помещают между двумя
электродами, закрепленными в электрододержателях (рис. 3.1, б). При
помощи нажимного механизма электроды плотно сжимают сваривае-
мые детали. После чего на электроды подается напряжение, и проходя-
щий через детали ток нагревает место сварки до температуры плавле-
ния. При достаточном сжатии в месте сварки образуется неразъемное
сварное соединение. Диаметр сварной точки равен диаметру медных
электродов. В центре сварочной точки температура немного выше тем-
пературы плавления свариваемого металла.
Время, достаточное для сварки одной точки, определяется толщи-
ной свариваемых деталей, физическими свойствами свариваемого мате-
риала, мощностью сварочного устройства и степенью сжатия деталей.
Оно колеблется от тысячных долей секунды (при сварке тонких листов
цветных металлов) до нескольких секунд (толстые стальные детали).
Цикл точечной сварки показан на рис. 3.3.
Установки точечной сварки различаются по способу подвода тока.
Наиболее широко распространена одноточечная двусторонняя (нор-
мальная) сварка (см. рис. 3.4, а-в). Оба электрода имеют рабочую по-
верхность, обеспечивающую достаточную плотность тока для точечно-
го разогрева места сварки деталей.
50
Глава 3. Контактная сварка
Рис. 3.3. Цикл точечной сварки: 1 — сжатие деталей электродами (Р);
2 - удержание электродов в сжатом состоянии и повышение давления в кон-
це импульса тока; 3 — снятие давления; 4 — включение тока; 5 - выключение
тока; I - импульс тока
При отсутствии возможности осуществления одноточечной сварки
применяют точечную сварку с косвенным токоподводом. При этом с од-
ной стороны ток подводится электродом с нормальной контактной по-
верхностью, а с другой - электродом с большей контактной поверхностью
(рис. 3.4, г). Для уменьшения местных остаточных деформаций от сварки
применяются дополнительные приемы, показанные на рис. 3.4, д, е.
Для сварки тонколистовых изделий применяют одностороннюю
многоточечную сварку (рис. 3.4, ж). Одновременная сварка двух точек
при двустороннем токоподводе от спаренного трансформатора (рис. 3.4, з)
позволяет сваривать металлические изделия большой толщины, обеспе-
чивая высокое качество сварного соединения.
На производстве применяется много конструкций машин для то-
чечной сварки. Они отличаются устройством механизмов для сжатия
электродов, которые подразделяются на педальные, электрические
и пневматические. Машины точечной сварки бывают стационарные
универсальные, переносные универсальные, стационарные специализи-
рованные (многоточечные) и прессы для рельефной сварки деталей.
При точечной сварке громоздких изделий или при сварке в труд-
нодоступных местах применяют переносные сварочные клещи и свароч-
ные пистолеты.
Установки для многоточечной сварки последовательно сваривают
несколько точек за одну операцию, обеспечивая тем самым высокую
производительность процесса сварки. Существует два типа многоточеч-
ных сварных машин.
51
Часть I. Электротермия
Рис. 3.4. Принципиальные схемы основных способов точечной сварки:
а—в - одноточечная двусторонняя сварка; г - сварка с косвенным токопод-
водом; д, е — дополнительные приемы сварки; ж - односторонняя многото-
чечная сварка; з - одновременная сварка двух точек при двустороннем токо-
подводе от спаренного трансформатора; Р — усилие сжатия; Рк — косвенное
(дополнительное) усилие сжатия
В машинах первого типа на свариваемые листы одновременно
опускают только два электрода, через которые в данный момент про-
пускают сварочный ток. В машинах второго типа на листы опускаются
одновременно все электроды, ток же проходит последовательно через
каждую отдельную пару электродов, осуществляя сварку деталей.
Конструкции сварочных машин специального назначения бывают
двух- и многоэлектродными. Такие машины предусматривают специ-
альные поворотные столы, устройства подачи деталей и механизмы их
52
Глава 3. Контактная сварка
вращения. Многоэлектродные машины различаются способами зажатия
электродов и подачи тока: с последовательным зажатием электродов
через гидрораспределитель и подачей тока токораспределителем; с од-
новременным зажатием электродов при последовательном включении
трансформатора в сварочной цепи с токораспределителем или с одно-
временным или групповым включением нескольких трансформаторов
с первичной стороны. Многотрансформаторные машины применяются
в робототехнических устройствах, снабженных микропроцессорами.
Машины с поворотными столами применяются при совмещении опера-
ций сборки и сварки, чаще на конвейерах.
Электроды, применяемые в точечных машинах, устанавливают
в электрододержатели, которые крепятся в хоботах сварочной машины.
Электрододержатели изготовляют из латуни. В них делают каналы для
охлаждающей воды. Машины имеют сменные электроды, изготавли-
ваемые из холоднотянутой красной меди или из специального хромо-
цинко-медного сплава, обеспечивающих их надежную работу.
3.4.	Шовная сварка
Шовная сварка - способ контактной сварки, при котором детали со-
единяются с помощью вращающихся роликов за счет пропускания через
место сварки электрического тока (рис. 3.5). Установки шовной сварки от-
личаются от стационарных точечных сварочных машин типом электродов
(ролики с механическим приводом). Машины для шовной сварки имеют
два токопроводящих ролика, из которых один ведущий, а другой вращается
за счет трения при передвижении свариваемых листов. По принципу дейст-
вия шовная сварка подобна точечной сварке обычного типа.
Процесс шовной сварки может иметь следующие режимы:
1)	непрерывное движение роликов с непрерывной подачей тока;
2)	непрерывное движение роликов при прерывистой подаче тока;
3)	прерывистое движение роликов с прерывистой подачей тока.
Первый режим применяется при сварке листов общей толщиной
до 1,5 мм. При большей толщине сваренные листы могут расслоиться.
Более того, при непрерывной подаче тока может происходить значи-
тельное коробление свариваемых листов. Наиболее распространен вто-
рой режим: швы получаются с малым короблением листов и наимень-
шим расходом электроэнергии.
53
Часть I. Электротермия
Рис. 3.5. Схема шовной сварки:
1 — сварочный трансформатор;
2 - контактные ролики; 3 - при-
жимное устройство; 4 — сваривае-
Рис. 3.6. Схема расположения
роликов и свариваемых деталей
при различных способах шов-
ной сварки
мые детали
Применение шовной сварки наиболее целесообразно при изготов-
лении тонкостенных сосудов, сварных металлических труб и других по-
добных изделий. Расположение роликов и свариваемых деталей при
выполнении различных способов шовной сварки показано на рис. 3.6.
3.5.	Электрооборудование,
применяемое при контактной сварке
Электрическая контактная сварка характеризуется высокой произ-
водительностью, а во многих случаях является единственно возможным
и экономически целесообразным способом соединения металлических
деталей.
Машины контактной сварки, выпускаемые отечественной про-
мышленностью, подразделяют на машины общего назначения и высо-
копроизводительные специализированные машины, предназначенные
для сварки конкретных изделий [14, 22].
В установках контактной сварки общего назначения применяются
сварочные трансформаторы с витыми сердечниками и обмотками, зали-
тыми эпоксидным компаундом, а также аппаратура управления на логи-
ческих элементах с интегральными схемами. В качестве прерывателей
тока применяют тиристоры. Пневматическая и гидравлическая аппара-
тура отличается высокой производительностью и надежностью.
54
Глава 3. Контактная сварка
По роду тока, преобразования или накопления энергии различают
следующие типы машин:
а)	однофазного переменного тока промышленной или пониженной
частоты;
б)	постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре);
в)	трехфазного тока, низкочастотные с тиристорным преобразова-
телем;
г)	с накоплением энергии (в конденсаторах, электромагнитных
системах, вращающихся массах).
Установки контактной сварки с выпрямлением тока на стороне
низкого напряжения силового трансформатора имеют ряд технологиче-
ских преимуществ при сварке крупногабаритных листовых конструкций
из алюминиевых сплавов, титана, жаропрочных и нержавеющих сталей.
По сравнению с низкочастотными машинами они более универсальны,
экономичны и надежны в работе. Применение постоянного тока в шов-
ных машинах позволяет значительно повысить скорость сварки без
снижения качества сварного соединения, а в многоэлектродных маши-
нах поочередное или групповое питание электродов можно осуществ-
лять от одного источника тока.
Рис. 3.7. Структурные схемы электрической части основных типов машин
контактной сварки: 1 - деталь; 2 — вторичный контур; 3 — трансформатор;
4 - переключатель; 5 — контактор; 6 — выпрямитель; 7 — коммутатор;
8 - накопитель энергии; 9 - трансформатор; 10 - аппаратура управления
55
Часть I. Электротермия
Схема электрической силовой части машин контактной сварки обес-
печивает получение необходимого сварочного тока от 2 до 10 кА от пи-
тающей сети 380 или 220 В при мощности источников питания от 75 до
750 кВ • А и более.
Структурная схема электрической части машин контактной сварки
показана на рис. 3.7. Для подвода сварочного тока к детали 1 служит
вторичный контур 2. Вид формы кривой и значение силы сварочного
тока получаются путем преобразования или накопления электрической
энергии от сети промышленной частоты с помощью трансформаторов 3,
9, выпрямителей 6 или накопителей энергии 8 (например, батареи кон-
денсаторов). Силовые преобразователи (трансформаторы, выпрямите-
ли) включают в сеть или подсоединяют к накопителю энергии 8 с по-
мощью контакта 5-6, а необходимое чередование полярности тока
в сварочном трансформаторе обеспечивается коммутатором 7. Свароч-
ный трансформатор 3 обеспечивает получение больших значений тока
при низком напряжении. Регулировка сварочного тока производится
ступенчатым изменением вторичного напряжения трансформатора 3
путем переключения числа ступеней его первичной обмотки переклю-
чателем 4. Регулирование сварочного тока осуществляется аппаратурой
управления 10 путем изменения момента включения вентилей контак-
тора 5 (выпрямители 6) относительно фазы напряжения сети в каждой
полуволне. Аппаратура управления обеспечивает заданную последова-
тельность и продолжительность всех или части операций сварочного
цикла.
В однофазных машинах переменного тока (рис. 3.8, а) сварочный
трансформатор Т включается в электрическую сеть рубильником через
предохранители 2 и переключателем ступеней ПС посредством контак-
тора-прерывателя Пр. Момент включения переключателя-прерывателя
Пр определяется аппаратурой управления АУ, причем ток во вторичной
обмотке сварочного трансформатора имеет синусоидальную или близ-
кую к ней форму (рис. 38, б, в), а при наличии специальных модулято-
ров тока можно получить импульс тока с плавным изменением ампли-
туды (рис. 38, г), что существенно улучшает качество сварного соеди-
нения.
Машины контактной сварки имеют коэффициент мощности от 0,5 до
0,6. Повышение энергетических показателей однофазных машин при тех
же значениях тока и размерах сварочного контура возможно путем по-
нижения частоты вторичного напряжения сварочного трансформатора
установки.
56
Глава 3. Контактная сварка
Рис. 3.8. Электрическая схема силовой части машины переменного тока («)
и форма импульсов сварочного тока /2 (б~г): АУ - аппаратура управления;
Т - трансформатор; ПС - переключатель ступеней; Пр — контактор-
прерыватель; 1 — электрическая сеть; 2 — предохранители
В применяемых сварочных машинах постоянного тока (трехфаз-
ные с выпрямителем тока во вторичном контуре) (рис. 3.9) первичную
обмотку включают по схеме «треугольник», а к соединенной по схеме
«звезда» вторичной обмотке через вентили 1-3 (рис. 3.9, а) подключают
вторичный контур. Общая электрическая схема сварочной машины
представляет собой трехфазный выпрямитель. В таких машинах про-
блемой является выпрямление очень больших сварочных токов.
Управление машиной - включение и отключение трехфазного по-
нижающего трансформатора Т и регулирование тока — осуществляется
тиристорами, включенными последовательно с первичными обмотками.
При мгновенной коммутации ток через тиристор VS\ и связанную с ним
первичную обмотку трансформатора проходит в течение одной трети
периода (л/3), когда напряжение в данной фазе больше, чем в двух дру-
гих (в точке К рис. 3.9, б). В эту треть периода ток через два других ти-
ристора проходить не может, поскольку потенциал их анодов ниже об-
щего потенциала катода. В следующую треть периода ток будет пропус-
кать второй вентиль VS2 и т. д. Переход тока от одного вентиля к другому
(рис. 3.9, в) происходит в момент пересечения положительных полусину-
соид напряжения (точки К, L, М на диаграмме рис. 3.9, б). Аналогично
коммутация тока проходит и в сварочной цепи (рис. 3.9, г, д). Несмотря
на униполярное протекание тока в первичной обмотке (рис. 3.9, в),
57
Часть I. Электротермия
магнитные потоки в стержнях трехфазной магнитной системы (рис. 3.9, е)
не имеют постоянной составляющей (потока вынужденного намагничи-
вания, который возникает при отсутствии вентилей в первичной обмот-
ке), поскольку алгебраическая сумма магнитных потоков в трехстерж-
невой магнитной системе равна нулю.
Рис. 3.9. Схемы выпрямителей сварочных машин постоянного тока: а — элек-
трическая схема трехфазного выпрямителя; б~д - диаграммы токов и напря-
жений, наблюдаемых во время коммутаций в сварочной цепи; е — направле-
ния магнитных потоков в стержнях магнитной системы
58
Глава 3. Контактная сварка
Размагничивание того или иного стержня происходит намагничи-
вающими силами обмоток, расположенных на двух других стержнях.
Вследствие соединения первичных обмоток по схеме «треугольник»
и наличия вентилей не только в первичной, но и во вторичной цепи
сумма ампер-витков, расположенных на одном стержне обмоток, в лю-
бой момент времени практически равна нулю.
Преимуществами сварочных машин постоянного тока являются:
равномерная загрузка фаз, широкие возможности регулирования формы
и длительности импульса тока, а также получение многоимпульсного
режима; меньшая потребляемая мощность по сравнению с однофазны-
ми машинами, особенно при больших вылетах и при сварке материалов
с малым удельным сопротивлением; отсутствие влияния вносимых
в сварочный контур ферромагнитных масс на значения сварочного тока.
В низкочастотных сварочных машинах используется преобразо-
вание трехфазного тока промышленной частоты в импульсы тока низ-
кой частоты (5-20 Гц). Это достигается кратковременным включением
силового игнитронного выпрямителя в первичную обмотку сварочного
трансформатора Т машины (рис. 3.10). Преимуществами таких машин
являются: благоприятная форма импульса сварочного тока — его плав-
ное нарастание и спад; равномерная нагрузка трехфазной сети при по-
ниженной потребляемой мощности вследствие пониженной индуктив-
ности контура; повышенный коэффициент мощности по сравнению
с однофазными машинами.
Рис. 3.10. Схема преобразователя однополупериодной низкочастотной
машины: Т - сварочный трансформатор; ПП — пакетный переключатель
59
Часть I. Электротермия
В машинах контактной сварки с накоплением энергии во время
паузы происходит медленное накопление энергии в накопителе с по-
треблением небольшой мощности из сети и кратковременное использо-
вание ее во время процесса сварки.
Для обеспечения заданной производительности контактных свароч-
ных машин и высокого качества сварки необходимо строго соблюдать оп-
ределенное время протекания сварочного тока для каждого цикла сварки.
Это достигается с помощью соответствующих элементов схем управления
сварочных установок: выключателей сварочного тока, регуляторов време-
ни. Выключатели сварочного тока выпускаются нескольких типов: механи-
ческие выключатели, асинхронные электромагнитные контакторы, синхро-
низированные электромагнитные контакторы, игнитронные выключатели
и др. Механический выключатель тока имеет систему подвижных и непод-
вижных контактов, которые включаются в первичную цепь трансформато-
ра сварочного тока. Механизм привода контактов связан с устройством за-
жатия свариваемых изделий. При малой скорости коммутации контакты
механического выключателя подгорают и требуют частой замены, что ог-
раничивает их применение в маломощных машинах контактной сварки.
Применяющиеся в сварочных машинах асинхронные электромаг-
нитные пускатели имеют ограниченный срок службы контактов, по-
скольку они разрывают рабочий ток в произвольной точке синусоиды.
Время протекания сварочного тока обеспечивается специальными
регуляторами времени, которые подразделяются на электромеханиче-
ские, электропневматические и электронные.
При электродвигателъном приводе контактных машин обычно
применяются электромеханические регуляторы времени, рабочими орга-
нами которых являются кулачки, воздействующие при вращении вала
электродвигателя своими выступами на механические выключатели тока.
В контактных сварочных машинах с пневматическим механизмом
сжатия применяются электропневматические регуляторы времени. Схе-
ма электронного регулятора времени приведена на рис. 3.11. Цепь
управления электромагнитным контактором КЦ сварочного трансфор-
матора Ti приводится в действие замыканием контактов ключа К, а его
отключение осуществляется автоматически электронной схемой через
определенный промежуток времени. До замыкания контактов ключа К
ток от зажима сети протекает через регулируемое сопротивление R -
сетку лампы Л, нормально замкнутые контакты реле Э и катушку кон-
тактора КТ к полюсу 2 сети. Шунтирующий сопротивление конденсатор
заряжается при протекании тока через лампу Л.
60
Глава 3. Контактная сварка
Рис. 3.11. Схема электронного регулятора времени: 1 - первый полюс сети;
2 - второй полюс сети; КЦ — электромагнитный контактор; Тi — сварочный
трансформатор; Т2 - трансформатор регулятора времени; К — ключ; Л — лам-
па; Э - замкнуты контакт реле; КТ - катушка контактора; R - регулируемое
сопротивление; С - конденсатор
Поскольку сеточный ток мал, включения контакта КТ не происхо-
дит. Сеточный ток на лампу прекращается при нажатии ключа К, при
этом сетка оказывается соединенной с ее внешней частью через отрица-
тельно заряженный конденсатор и катушку реле.
Контактные сварочные установки являются массовыми потреби-
телями электроэнергии, поэтому их рациональное использование явля-
ется важным направлением экономии электроэнергии. Наилучшие ре-
зультаты дают следующие мероприятия: совершенствование техноло-
гии сварки, включающее подготовку деталей под сварку; ускорение
компоновки деталей, оптимизация цикла сжатия деталей, ограничение
холостого хода источников питания, периодическая ревизия контактных
соединений в цепи сварочного тока; установление норм расхода элек-
троэнергии на сварочные работы.
> Резюмируем вышесказанное. Контактная сварка в машино-
строении является одним из востребованных способов соединения дета-
лей, поскольку обеспечивает высокую скорость сварки, необходимое ка-
чество сварного соединения и может быть легко автоматизирована. Одно
из преимуществ контактной сварки - минимальные тепловые потери.
Существуют и другие способы обработки деталей с небольшими
тепловыми издержками, к ним относятся индукционный и диэлектриче-
ский нагрев, о которых пойдет речь в следующей главе.
61
Часть I. Электротермия
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Проверить детали, соединенные точечной сваркой, на
отрыв по сечению в плоскости их соприкосновения с учетом расчетного
диаметра точек, если известно, что площадь сечения данного соедине-
ния F = 100 мм2, допускаемое напряжение на растяжение су, = 60 Н/мм2,
диаметр точек d = 8 мм.
Решение. Находим напряжение отрыва, Н/мм2,
Р d2
ао=-^Г’
7Г 4
где Р - давление сил отрыва, Н;
Усилие на отрыв
°д=0,4оо.
Проверяем детали на отрыв. Если су0 <0,7cy^, то отрыва деталей
не будет. Если о0 > 0,7Од, то отрыв деталей будет.
Получаем:
Р = 60400 = 6 000 Н; с>о =^-^- — = 118,5 н/мм2;
о; =0,4-118,5 = 47,4 н/мм2.
Ответ', так как су0 = 118,5 Н/мм2, a 0,7c^ =33,18 Н/мм2, то имеет
место отрыв деталей.
Пример 2. Определить силу сварочного тока при сварке листов уг-
леродистой стали толщиной 0,5 мм каждый. Время сварки t = 0,2 с, коли-
чество выделяемой теплоты Q = 100 Дж, сопротивление R = 54 мкОм.
Решение. Количество выделяемой теплоты вычисляется по
формуле
е=/2»,
62
Глава 3. Контактная сварка
откуда
I = ^Q/Rt = 7100/0,054-0,2 = 96 А.
Ответ'. 1= 96 А.
Задачи
1.	Определить силу сварочного тока /, силу сжатия изделий Р, если
толщина свариваемой детали 5 = 8 мм, удельное электрическое сопро-
тивление р = 25 Ом • см.
2.	Определить удельную мощность при контактной сварке мате-
риала из конструкционной стали, если известны: сила сварочного тока
I = 400 А, плотность тока при данной сварке j = 8 А/мм2, напряжение
£7=31,25 В.
3.	Определить мгновенное значение сварочного тока /, если индук-
тивное сопротивление L = 20 Ом, активное сопротивление R = 20 Ом,
U = 380 В, коэффициент трансформации к = 0,36.
4.	Определить возможные наибольшие потери тепла при сварке
в мягком режиме при токе силой 50 А и сопротивлении 20 Ом, если
непосредственно на нагрев пошло 70 % от общего количества выде-
ленного тепла.
5.	В процессе сварки выделилось 1 470 000 Дж энергии. В проме-
жутке времени, равном 1 с, контактное сопротивление между деталями
составляло 20 Ом, сопротивление детали — 20 Ом. Определить ток, при
котором проводилась сварка.
Вопросы и задания для самопроверки
1.	Из каких фаз состоит процесс контактной сварки?
2.	Какова главная отличительная особенность стыковой сварки по
сравнению с точечной и шовной?
3.	Объясните причину точечного нагрева деталей при точечной
сварке?
4.	В чем состоит конструктивное отличие шовной сварки от то-
чечной?
5.	Начертите принципиальные схемы источников питания для ка-
ждого вида контактной сварки.
63
Глава 4. ИНДУКЦИОННЫЙ
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
4.1. Индукционный нагрев
4.1.1. Теоретические основы индукционного нагрева
Принцип индукционного нагрева проводящих тел проводников
как первого, так и второго рода базируется на поглощении ими элек-
тромагнитной энергии при возникновении в нагреваемом теле наведен-
ных вихревых токов по закону Джоуля - Ленца. Первичная обмотка
трансформатора по отношению к нагреваемому телу является индукто-
ром переменного магнитного поля. Нагреваемое тело является вторич-
ной обмоткой трансформатора, имеющей один короткозамкнутый виток
(рис. 4.1) [4, 13].
Магнитный поток 2, создаваемый первичной обмоткой - индукто-
ром 1, пропорционален его МДС и обратно пропорционален сопротив-
лению магнитной цепи. Возникающая в нагреваемом теле электродви-
жущая сила (ЭДС)
Е = 4,44Ф<-10’8,
где Ф - магнитный поток, Вб; w - число витков в катушке; f- частота, Гц.
Рис. 4.1. Принципиальная схема индукционного нагрева: 1 — индуктор;
2 — магнитный поток в нагреваемом теле; 3 — нагреваемое тело; 4 - наведен-
ный ток; 5 - воздушный зазор; 5 - глубина прогрева
64
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
При известном значении сопротивления г нагреваемого тела ЭДС
обеспечивает возникновение в нем вихревого тока I и выделение соот-
ветствующей мощности
р = l2r = E2r/z2,
где z - полное сопротивление, Ом.
Индукционный нагрев представляет собой прямой нагрев сопро-
тивлением, включение же нагреваемого тела в цепь вихревого тока
осуществляется за счет магнитной связи. Такой нагрев обладает всеми
преимуществами прямого нагрева сопротивлением: высокая скорость
нагрева, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточ-
ных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева,
расплава, испарения материалов и получения плазмы.
Процесс выделения мощности при индукционном нагреве имеет
большую скорость, легко может быть автоматизирован и проводится
практически в любой среде.
Глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны
выделения энергии зависит не только от времени действия электромаг-
нитного поля, но и от частоты тока индуктора (увеличивается при низких
частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность переда-
чи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит также от величины
зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев со-
противлением, индукционный нагрев дает высокую производительность
и комфортные условия труда, однако для него требуются более сложные
источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии.
Схемное решение индукционного нагрева предусматривает нали-
чие индуктора, зазора и нагреваемого тела. Эти элементы определяют
эффективность преобразования электрической энергии в тепловую.
Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т. е.
электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело, в котором
наводит вихревые токи. Конструкции индукторов разнообразны: ци-
линдрическая, плоская, фасонная. Индукторы изготовляются из меди
(немагнитного металла) и охлаждаются водой. Как правило, индукторы
имеют много изолированных друг от друга витков. При выполнении на-
гревательных операций индуктор может находиться как снаружи нагре-
ваемого тела, так и внутри его. В последнем случае внутри индуктора
помещают сердечник из листовой трансформаторной стали. Наиболее
распространенным является внешнее расположение индуктора.
65
Часть I. Электротермия
При нагреве до высоких температур происходит изменение удель-
ного сопротивления р, в этом случае необходимо регулирование напря-
женности магнитного поля или частоты.
Коэффициент полезного действия системы «индуктор - металли-
ческий цилиндр» определяется из соотношения полезной активной
мощности Ри1,0, выделяющейся в металле на единицу длины, и актив-
ных потерь в индукторе на 1 м его длины Рьо:
Т|,= 1/(1 + /’„1,о//’,.о)-	(4.1)
Значение КПД при индукционном нагреве составляет 0,70-0,88.
Для получения более высоких КПД частота тока при уменьшении диа-
метра цилиндра должна повышаться до определенного предела, далее
КПД остается неизменным. Потери энергии в зазоре снижают КПД.
Эффективность нагрева тем выше, чем меньше соотношение ри/(рц), где
ри - удельное сопротивление материала индуктора, Ом/мм2; р - удель-
ное сопротивление нагреваемого металла, Ом/мм2; ц - относительная
магнитная проницаемость металла. Поэтому индукционный нагрев
сплошных металлических цилиндров из меди или алюминия неэконо-
мичен.
При расчетах коэффициента мощности системы индукционного на-
грева необходимо учитывать как активные, так и реактивные мощности,
выделяющиеся в нагреваемом теле, в индукторе и в зазоре. Чем больше
зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактив-
ная мощность Р3 qi 0 и тем ниже коэффициент мощности системы cos <р.
Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагревае-
мого тела, в которой сразу начинается выделение тепла. По мере продви-
жения магнитного поля в глубь тела его нагрев уменьшается. В связи
с этим индукционный нагрев по своей природе является поверхностным,
поток энергии на глубине Лэ меньше потока на поверхности в е2 раз и со-
ставляет 0,1 36Pq, где Pq — поток энергии на поверхности.
Установлено, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его
удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока, что позво-
ляет определить необходимую частоту тока для нагрева тела на заданную
глубину. Для ферромагнитных материалов, когда с ростом температуры
увеличивается удельное сопротивление нагреваемого материала р, а при
достижении точки Кюри значение относительной магнитной проницаемо-
сти ц падает от 100-50 до 1, глубина проникновения тока резко увеличи-
вается, а поглощаемая мощность при этом снижается.
66
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Наличие в системе «индуктор - нагреваемое тело» двух потоков маг-
нитной энергии - прямого и встречного, вызванного наведенными токами,
приводит к возникновению механической силы, действующей на каждый
элемент нагреваемого тела, называемой электродинамической силой.
С точки зрения основ электротехники, индуктор представляет собой,
как правило, соленоид, имеющий один или несколько добавочных отво-
дов от внутренних витков. Витковое напряжение (напряжение между
смежными витками) изменяется в пределах от 20-175 до 400-600 В,
а иногда и до 1 000 В. Ток индукторов же может составлять от сотен до
нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 А/мм2.
Потери энергии в индукторах велики и могут достигать 30 % полезной
мощности установки. Так как индуктор находится под напряжением
и охлаждается хладагентом, а изделие нагревается до высокой темпера-
туры, то между индуктором и изделием создается зазор, влияние кото-
рого существенно сказывается на энергетических характеристиках ус-
тановок. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоля-
ция. Нагреваемое тело может находиться в твердом (металлы), жидком
(расплавы металлов и неметаллов) и плазменном состояниях, что позво-
ляет применять индукционный нагрев в различных технологических
процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; на-
грев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую
обработку; сварка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводни-
ков, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из
тугоплавких оксидов; получение плазмы.
4.1.2. Индукционные плавильные установки
Индукционные плавильные печи бывают двух типов: канальные
и тигельные. Конструкции этих печей и определяют их электрические па-
раметры, энергетические характеристики и технологические возможности.
Необходимость получения металлов высокой чистоты из полупро-
водниковых материалов или сплавов на основе химически активных
и тугоплавких металлов, а также особо чистых плавленых огнеупорных
материалов привела к созданию установок индукционной плавки, обес-
печивающих получение указанных материалов без примесей и при го-
раздо более высоких температурах, чем в тигельных или канальных ин-
дукционных печах. Этим требованиям отвечают индукционная гарни-
сажная плавка, индукционная струйная плавка, плавка во взвешенном
состоянии, зонная плавка в холодном тигле, кристаллизационная плавка.
67
Часть I. Электротермия
Индукционные канальные печи. В данных индукционных печах
канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком
вторичной обмотки трансформатора. В нем возможно поглощение до
95 % подведенной к печи электрической энергии. По электротехниче-
ским характеристикам канальные печи подобны силовым трансформа-
торам с распределенной по длине вторичной обмотки нагрузкой. Прин-
ципиальная схема индукционной канальной печи (ИКП) приведена на
рис. 4.2. С целью уменьшения потока рассеяния ФЛ первичную (щ и вто-
ричную со2 обмотки располагают на одном стержне магнитопровода М,
по которому протекает основной магнитный поток Ф|.
Отличительной особенностью индукционных канальных печей от
силовых трансформаторов является следующее:
1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и имеет только один
виток;
2) при большом потоке рассеяния ФЛ, вызванного футеровкой ван-
ны печи, ИКП имеет низкий коэффициент мощности.
Магнитный поток Ф1 первичной обмотки, пересекая канал с ме-
таллом, наводит в нем ЭДС — Е2. Возникающий в короткозамкнутом
витке (канал с расплавленным металлом) ток 12, проходя по металлу,
выделяет тепловую энергию согласно закону Джоуля - Ленца.
Схема замещения и векторная диаграмма индукционной каналь-
ной печи показаны на рис. 4.3. Схема замещения ИКП соответствует
схеме замещения трансформатора в режиме короткого замыкания.
Рис. 4.2. Схема индукционной канальной печи
68
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Рис. 4.3. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) ИКП
В соответствии с векторной диаграммой
Е2 = 7(4^2 )2+(4^2 )2 = Z2Z2 ’	(4.2)
где Е2 - ЭДС вторичной обмотки, В; /2 - ток в канале печи, A; R2,x2 -
приведенные активное и реактивное сопротивления канала, Ом; z2 —
полное сопротивление, Ом.
При синусоидальном напряжении коэффициент мощности печи
cos фп уменьшается с увеличением потока рассеяния и уменьшением ак-
тивного сопротивления металла. Вследствие большого зазора между ин-
дуктором и каналом печи, что вызвано необходимостью футеровки, реак-
тивная мощность печи в несколько раз превосходит ее активную мощность,
а естественный коэффициент мощности печи cos фп = 0,3-0,7. Меньшие
значения cos фп соответствуют индукционным канальным печам для плав-
ки металлов с низким удельным электрическим сопротивлением (медь,
алюминий), большие значения cos фп - ИКП для плавки металлов с высо-
ким удельным электрическим сопротивлением (сталь, чугун).
В индукционных канальных печах однородный химический состав
и одинаковая температура жидкого металла обеспечиваются интенсив-
ным перемешиванием металла, вызываемым взаимодействием магнит-
ного поля индуктора с током в канале, что приводит к возникновению
магнитогидродинамических явлений в печах.
69
Часть I. Электротермия
Рис. 4.4. Схема взаимодействия тока канала с магнитным полем: а - участок
постоянного поперечного сечения канала SK индуктора И; б - участок I по-
стоянного поперечного сечения, коаксиального индуктору; в — участок II
с непостоянным по длине и неаксиальным по отношению к индуктору попе-
речным сечением; F — результирующая электромагнитная сила; Fr - ради-
альная компонента электромагнитной силы; Fz — долевая электромагнитная
сила; В - магнитная индукция; - тангенциальная компонента магнитной
индукции; /к — вектор плотности тока; 8Z— аксиальная компонента плотности
тока
Рассмотрим взаимодействие тока канала с магнитным полем на
двух участках канала 5К (рис. 4.4, а): I - участок постоянного поперечно-
го сечения, коаксиальный индуктору И (рис. 4.4, б); II — участок с непо-
стоянным по длине и неаксиальным по отношению к индуктору И попе-
речным сечением (рис. 4.4, в). Допускаем равномерное распределение
тока по сечению канала.
По сравнению с футеровкой ванны печи футеровка индукционных
единиц имеет более ограниченный срок службы, так как испытывает зна-
чительно большую термическую нагрузку. Этим обусловлено применение
в ИКП съемных индукционных единиц (рис. 4.5), что позволяет заменить
этот элемент без перефутеровки ванны, а порой и без вывода печи из ра-
бочего состояния. Каналы делают в виде колодца, прямоугольных участ-
ков и полукольца или только из прямоугольных участков (для облегчения
чистки каналов при их «зарастании»). Поэтому сечения каналов бывают
круглой, прямоугольной или овальной формы.
Для изготовления магнитопровода применяют листовую транс-
форматорную сталь и выполняют его разборным для удобства установ-
ки и демонтажа катушки-индуктора.
Конструкции ИКП и их характеристики зависят от рода переплавляе-
мых металлов и их назначения. Наибольшее распространение получили
три разновидности ИКП: шахтная, барабанная и двухкамерная (рис. 4.6).
70
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Рис. 4.5. Конструкции индукционных единиц канальных печей: а — одинар-
ная; б - сдвоенная; 1 — футеровка; 2 — водоохлаждаемый кожух; 3 — магнито-
провод; 4 - индуктор
в
Рис. 4.6. Основные типы конструкций ИКП: а - шахтная; б - барабанная;
в — двухкамерная
Индукционная канальная печь шахтного типа имеет плавильную
камеру в форме вертикального цилиндра, в нижней части которого при-
соединена плавильная единица (рис. 4.6, а). При разливке готового ме-
талла печь наклоняют с помощью гидравлического устройства. Глав-
ным достоинством печей такого типа является простота изготовления,
ремонта и замены футеровки ванны.
71
Часть I. Электротермия
Индукционная канальная печь барабанного типа имеет плавиль-
ную камеру в виде горизонтального цилиндра. Она устанавливается на
цапфах или катках с приводами механизма наклона. Печь имеет несколь-
ко индукционных единиц, установленных в нижней части (рис. 4.6, б).
Двухкамерные индукционные канальные печи могут быть выполне-
ны с наклонными или горизонтальными каналами, которые соединяют
между собой две ванны, при этом одна из них выполняет роль плавиль-
ной ванны, а другая - раздаточной.
Наряду с ИКП в промышленности находят применение электромик-
серы и накопители жидкого металла - устройства для подогрева и вы-
равнивания температуры металла перед разливкой, в случаях когда объем
отливаемой детали больше емкости плавильной печи. Электромиксеры,
как правило, применяют для литья в кристаллизатор машин непрерывного
действия, требующих регулирования скорости литья. Электромиксеры
всегда работают в комплексе с плавильными электроустановками.
Тепловая энергия в ИКП выделяется в жидком металле в канале
и передается в ванну печи благодаря теплопроводности и конвекции.
Конвекция обусловлена как разностью температур металла, так и дей-
ствием электромагнитных сил, которые возникают в металле канала.
Из-за ограниченной циркуляции металла его температура в канале
может быть на 100-200 К больше температуры в ванне. Это обстоя-
тельство главным образом определяет удельную мощность печей, их
производительность и срок службы футеровки канала.
Индукционные тигельные печи. Отличительной особенностью
индукционных тигельных печей является то, что нагреваемые в них
электропроводящие тела имеют с индуктором, создающим переменное
электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров
с электрическим током.
Индукционная тигельная печь (ИТП) (рис. 4.7) состоит: из индук-
тора /, подключаемого к источнику переменного тока; расплавляемого
металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигля 3; внешнего маг-
нитопровода 4, применяемого в печах большой емкости для экраниро-
вания и уменьшения потерь энергии; токопроводов и устройства для на-
клона печи при сливе металла.
Современные конструкции тигельных электропечей средней емко-
сти предусматривают возможность изготовления отдельного выемного
узла, состоящего из индуктора и тигля, что существенно сокращает
времязатраты на их замену.
72
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Рис. 4.7. Схема индукционной тигельной печи: 1 - индуктор;
2 - магнитопровод; 3 — набивная футеровка; 4 — стальной тигель
Рис. 4.8. Индукционная тигельная печь со стальным тиглем для плавки маг-
ния: 1 - индуктор; 2 - магнитопровод; 3 - набивная футеровка; 4 - стальной
тигель
Плавильные тигельные печи имеют одни и те же конструктив-
ные элементы вне зависимости от частоты питающего тока (от 50 Гц
до 400 кГц) при емкости тигля от нескольких килограммов до десятков
тонн расплавленного металла.
Неэлектропроводные тигли выполняют из кварцитовых, магнезито-
вых, циркониевых масс прямо во внутреннем объеме индуктора: они не по-
глощают энергии электромагнитного поля и являются теплоизоляторами
между расплавляемым металлом и охлаждаемыми стенками индуктора.
73
Часть I. Электротермия
Электропроводящие тигли изготавливают из жароупорных сталей,
легированных чугунов и графитов, которые, поглощая наибольшую
часть энергии переменного электромагнитного поля, являются, по сути,
нагревателями косвенного действия (рис. 4.8). При загрузке этих тиглей
раздробленной шихтой до ее расплавления энергия от стенок тигля пере-
дается излучением, а после - контактным способом, за счет теплопро-
водности. В электропроводящих тиглях наружные стенки изолированы
от внутренних стенок индуктора.
Индукторы изготавливают из медной водоохлаждаемой трубки
круглого, квадратного или прямоугольного сечения однослойными, со-
стоящими из нескольких катушек, имеющих раздельное водяное охлаж-
дение. Толщина стенок медной трубки должна быть не менее 1,ЗЛЭ.И, где
Дэ.и - глубина проникновения тока в медь при рабочей частоте.
С целью защиты каркаса печи от нагрева магнитным полем в кон-
струкциях тигельных печей предусматриваются магнитопроводы.
Большие печи оснащают устройствами для измерения массы печи вме-
сте с массой расплавляемого материала. Это дает возможность регули-
ровать ход подачи шихты и слива расплава, что повышает точность
поддержания режима и упрощает работу по обслуживанию печи.
Нагрев и расплавление металлической загрузки осуществляется за
счет прохождения в ней индуцированного электромагнитным полем
электрического тока и выделения при этом в загрузке теплоты по закону
Джоуля - Ленца.
При плавке металла в ИТП наблюдается активное выделение энер-
гии, главным образом на периферии садки при ее интенсивном перемеши-
вании. Характерной особенностью ИТП в отличие от ИКП является про-
стота выгрузки печи при переходе на другую марку сплава или при дли-
тельном простое печи. Также к преимуществам индукционных тигельных
печей следует отнести:
а)	простоту получения химически чистых металлов и сплавов;
б)	возможность плавки в нейтральной среде или вакууме с целью
получения металлов высокого качества;
в)	повышенный срок службы печи ввиду отсутствия перегрева футе-
ровки.
В индукционных тигельных печах происходит движение расплава
в тигле, что обусловлено взаимодействием электромагнитного поля
индуктора и наведенного в металле электрического тока. Это обеспечи-
вает возникновение в расплаве двухконтурной циркуляции, в то время
как расплав движется вдоль оси вверх (в верхнем контуре) и вниз
74
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
(в нижнем контуре) по отношению к средней плоскости индуктора.
Данная циркуляция в ИТП называется естественной. Скорость пере-
мещения металла при этом пропорциональна напряженности магнитно-
го поля, кроме этого она зависит от частоты тока индуктора, удельной
мощности печи, геометрических соотношений тигля и расплава в нем.
Для достижения высокого КПД нагрева частоту питающего тока
определяют по формуле
/«25ргор-1о6ч2,	(4.3)
где ргор - удельное электрическое сопротивление горячего металла,
Ом • м; do - диаметр тигля, м.
Формула (4.3) справедлива при условии
r0V2/A„op>7,	(4.4)
где г0 - радиус нагреваемой заготовки, мм;
г0 = /2;
Лэ гор - глубина проникновения тока в металл горячей заготовки, мм;
^э.гор — ^^^-у/РгорН/" J
где ц - относительная магнитная проницаемость.
Из выражения (4.4) следует, что частота источника питания печи су-
щественно зависит от геометрических размеров тигля (диаметра do). В ин-
дукционных тигельных печах большой емкости (больших диаметров) ис-
пользуют источники питания промышленной частоты, в печах же средней
и малой емкости - источники питания повышенной или высокой частоты.
Коэффициент полезного действия печи т|п определяется главным об-
разом зазором между индуктором и садкой. При уменьшении толщины
стенки тигля электрический КПД т|э увеличивается, а тепловой КПД г|теПл
уменьшается, так как при этом увеличиваются тепловые потери. Индук-
ционные тигельные печи имеют г|э = 0,6-0,8 (0,6 относится к печам для
переплавки цветных металлов - меди и алюминия; 0,8 - к печам большой
емкости для плавки таких металлов, как сталь и чугун). Тепловой КПД за-
висит от вида футеровки и температуры расплава и составляет
Лтепл = 0,8-0,85. Общий КПД тигельной печи т|п = Лэ Лтепл = 0,48-0,68.
75
Часть I. Электротермия
Индукционные тигельные печи имеют естественный коэффициент
мощности cos фп = 0,3-0,8 и поэтому требуют установки компенсирую-
щих устройств реактивной мощности.
Тигельные электропечи могут работать как с «болотом» (часть
расплавленного металла), так и без него. «Болото» по объему, как пра-
вило, составляет от 25 до 30 % емкости тигля. При этом в тигель можно
загружать шихту любых габаритных размеров: отходы литейного про-
изводства, чушки, мелкую стружку и т. д.
Удельные мощности ИТП ограничены скоростью реакций на гра-
ницах расплава с футеровкой и атмосферой печи. Удельный расход
электроэнергии на тонну металла в печи складывается из энергии для
нагрева и расплавления металла, тепловых и электрических потерь.
В плавильных индукционных печах тепловые потери составляют
15-20 %, электрические потери - 30-35 %. В печах для выдержки расплав-
ленного металла (миксерах) расход энергии обусловлен только тепловыми
и электрическими потерями. Их активная мощность меньше, чем у пла-
вильной печи, а средняя за цикл температура больше, что увеличивает до-
лю тепловых потерь в удельном расходе электроэнергии.
Промышленность выпускает индукционные тигельные печи раз-
личной емкостью, мощностью и частотой питающего тока. Так, напри-
мер, для плавки стали изготавливают печи емкостью от 0,06 до 6 т,
мощностью 90-2230 кВт, частотой тока 500-2 400 Гц и производитель-
ностью 0,132-3,5 т/ч переплавленной стали.
Индукционная плавка без контакта расплава с футеровкой. Гар-
нисажная плавка - плавка, при которой расплавленный металл соприкаса-
ется только с твердой фазой такого же химического состава, что и расплав,
отделяющий его от конструктивных элементов печи. При индукционной
гарнисажной плавке металла с введением электрической энергии через бо-
ковой гарнисаж предусматривается создание внутри цилиндрического ин-
дуктора или охватываемого им тигля слоя гарнисажа из порошка переплав-
ляемого металла, выполняющего тем самым функцию футеровки.
Индукционная струйная плавка предусматривает предварительную
подготовку переплавляемого материала в виде чешуек, губки, гранул или
порошка прессованием в заготовки-стержни, которые затем перемещают
с заданной скоростью через индуктор. Нагрев и расплавление заготовки
осуществляются за счет протекания индуцированного тока по боковой по-
верхности заготовки. Жидкий металл каплями или, при большой мощности
индуктора, непрерывной струей стекает в изложницу и образует слиток.
76
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Индукционную плавку во взвешенном состоянии иногда называют
«плавкой в электромагнитном тигле». Физические основы данного метода
базируются на том, что в индуктор или систему индукторов, создающих
переменное электромагнитное поле, помещают переплавляемый металл.
При определенных условиях взаимодействия индуцированных в металле
токов с электромагнитным полем индуктора появляется состояние паре-
ния металла в магнитном поле. Металл стремится расположиться в зоне
с наименьшей напряженностью магнитного поля. При высокой мощно-
сти, подводимой к индуктору, металл расплавляется в переменном элек-
тромагнитном поле и висит в потенциальной яме без внешнего воздей-
ствия.
Бестигелъная зонная плавка позволяет выращивать высококачест-
венные монокристаллы индуктивно - посредством передачи электриче-
ской энергии в расплав (рис. 4.9). При зонной плавке характерно мед-
ленное перемещение узкой расплавленной зоны через длинный твердый
образец. Это позволяет достигнуть перераспределения примесей и из-
менения кристаллической структуры обрабатываемого материала.
Вследствие излучения с поверхности, а также малой теплопроводности
переплавляемых материалов (кремний, германий и др.) и высокой зави-
симости их удельного сопротивления от температуры, зона максималь-
ной температуры, образующаяся под поверхностью кристалла, имеет
форму кольца.
Рис. 4.9. Схема зонной плавки: 1 - поликристалл; 2 — индуктор;
3 - расплавленная зона; 4 - монокристалл
77
Часть I. Электротермия
Новые возможности при выращивании высокотемпературных кри-
сталлических веществ открывает индукционная плавка в металлических во-
доохлаждаемых тиглях, обеспечивая при этом высокую чистоту получае-
мых материалов.
4.1.3. Индукционные установки для нагрева
Индукционные нагревательные установки нашли широкое приме-
нение в машиностроительной, металлургической и других отраслях
промышленности. Их подразделяют на установки сквозного и поверх-
ностного нагрева [13].
Индукционные установки сквозного нагрева применяются для
нагрева заготовок под последующую механическую обработку: ковку,
штамповку, прессовку, прокатку и т. д. По сравнению с другими видами
нагрева индукционный нагрев имеет малый угар металла и меньший
брак из-за отсутствия окалины.
Источники питания индукционных установок изготавливают на час-
тоту 50-10 000 Гц в зависимости от геометрических параметров нагревае-
мых деталей и их материала. Для установок сквозного нагрева выбор ра-
бочей частоты осуществляют таким образом, чтобы выделение теплоты
происходило в слое расчетной толщины по сечению детали. Это дает
меньший перегрев поверхности заготовки и больший КПД установки.
Нагрев считают глубинным, если соблюдается условие
3<r0V2/A„op<5,	(4.5)
где г0 - радиус нагреваемой заготовки, мм; Лэгор - глубина проникно-
вения тока в металл горячей заготовки, мм.
Необходимая частота для сквозного нагрева цилиндрических
стальных заготовок может быть определена из соотношения
/ = 3-104/^,	(4.6)
где do - диаметр нагреваемой заготовки, мм.
Установки сквозного нагрева по режиму работы подразделяют на
установки периодического и непрерывного действия. В установках
периодического действия нагревают только одну заготовку или ее часть.
При нагреве заготовок из магнитного материала потребляемая мощность
78
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
меняется: вначале она возрастает, а затем, по достижении точки Кюри,
снижается до 60-70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных
металлов мощность в конце нагрева увеличивается за счет роста удель-
ного электрического сопротивления материала.
В установках непрерывного действия одновременно может находить-
ся несколько заготовок, располагаемых в продольном или поперечном маг-
нитном поле (рис. 4.10). Во время нагрева они перемещаются по длине ин-
дуктора, нагреваясь до заданной температуры. В нагревателях непрерывно-
го действия рациональнее используется мощность источника питания.
Нагреватели непрерывного действия, в сравнении с индукцион-
ными установками периодического действия, имеют более высокий
КПД источника питания и более высокую производительность. У них
возможно питание нескольких нагревателей от одного источника и, на-
оборот, подключение нескольких генераторов к одному нагревателю,
состоящему из нескольких секций (рис. 4.10, в, секции А, В, С).
Конструктивное исполнение индуктора для сквозного нагрева зави-
сит от формы и размеров деталей. Индукторы могут быть круглого, оваль-
ного, квадратного или прямоугольного сечения. Для нагрева концов дета-
лей индукторы изготавливают щелевыми или петлевыми (рис. 4.10, г, д).
Главный параметр индукторов сквозного нагрева — удельная по-
верхностная мощность (Вт/м2), которая зависит от частоты тока, глуби-
ны прогрева, размеров нагреваемых изделий.
Рис. 4.10. Схемы индукционных нагревательных установок непрерывного
действия: а, в, г - в продольном магнитном поле; б, д - в поперечном маг-
нитном поле; 1 - индуктор; 2 - нагреваемое изделие; 3 - теплоизоляция;
4 - механизм перемещения заготовки; 5 - магнитопровод; А, В, С — секции
79
Часть I. Электротермия
Рис. 4.11. Схема индукционного нагревателя: d\ — внутренний диаметр ин-
дуктора; d2 - диаметр детали; б/з - внутренний диаметр огнеупорного цилин-
дра; б/4 - внутренний диаметр теплоизолирующего цилиндра; 1\ - длина ин-
дуктора; /2 — общая длина заготовки
Выбор геометрических размеров индуктора, т. е. внутреннего диа-
метра, длины и размера его теплоизоляции, производят путем расчетов
(рис. 4.11).
Внутренний диаметр огнеупорного цилиндра бЛ, определяют по
формуле
б73 = (l,l-l,2)d2,
б/3 - б/2 > 5 см,
(4.7)
где б/2 _ диаметр детали, см.
Индуктор защищают от огнеупорного цилиндра укладкой слоя те-
плоизолирующего материала (2—5 мм): это уменьшает тепловые потери
и защищает электрическую изоляцию индуктора.
Для равномерного нагрева деталей в индукторе его длину 1\ необхо-
димо выбирать несколько большей длины садки заготовки 72. При несо-
блюдении этого условия концы деталей могут недогреться, поскольку на
концах индуктора магнитное поле значительно слабее и в концевых зонах
нагреваемых заготовок имеют место тепловые потери.
Расчетный диаметр индуктора di обосновывается поддержанием
максимального КПД, а также конструктивными особенностями индук-
тора, учитывающими, что внутри него будут расположены тепловая
и электрическая изоляции, а иногда и специальные направляющие.
80
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Тепловой КПД индуктора при постоянной удельной мощности падает
с повышением частоты индукционного тока и с увеличением диаметра
нагреваемой заготовки, так как в этом случае глубина проникновения
тока в металл уменьшается и для нагрева изделия требуется большее
время, что увеличивает тепловые потери.
Индукционные установки поверхностного нагрева предназна-
чены для нагрева деталей под последующую термохимическую обра-
ботку (закалка, цементация, азотирование и т. п.). Поверхностный ин-
дукционный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эф-
фекта и эффекта близости. При поверхностном эффекте ток в нагре-
ваемом изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность
тока наблюдается в поверхностных слоях изделия. Рост плотности тока
от центра проводника к его поверхности происходит по экспоненциаль-
ному закону
8, = 5ое-'4,	(4.8)
где ЬЛ - среднеквадратичное значение плотности тока на расстоянии х от
поверхности проводника; 50 - среднеквадратичное значение плотности
тока на поверхности проводника; А - глубина проникновения - рас-
стояние от поверхности проводника до его центра, на котором плот-
ность тока снижается в е раз по сравнению с плотностью тока на по-
верхности проводника.
Из этого следует, что при использовании высокой частоты в по-
верхностных слоях детали можно получить значительно большие плот-
ности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла на наружной по-
верхности.
Индукционный нагрев под закалку предусматривает быстрый на-
грев поверхности детали с последующим быстрым охлаждением на воз-
духе или в жидкости. После охлаждения поверхность детали приобрета-
ет высокую твердость и износостойкость, а сердцевина обеспечивает
высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. При таком способе на-
грева во много раз уменьшается объем нагреваемого металла по сравне-
нию со сквозным нагревом и существенно сокращается расход электро-
энергии. Варианты схем индукторов поверхностного нагрева показаны
на рис. 4.12.
Нагрев металлов с низкой теплопроводностью (например, титана
и его сплавов) требует больших времязатрат, в результате возрастают
тепловые потери и уменьшается тепловой КПД.
81
Часть I. Электротермия
Рис. 4.12. Технологические схемы поверхностного индукционного нагрева
в различных конструкциях: 1 — индуктор; 2 - нагреваемое изделие;
3 — нагретый слой изделия
При нагреве тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, нио-
бия и др.) до 2 100-2 300 К тепловые потери увеличиваются многократ-
но, а тепловой КПД может снизиться до 0,5—0,4 и даже ниже.
Коэффициент мощности системы «индуктор - садка» и реак-
тивная мощность конденсаторной батареи. Известно, что индукци-
онные установки имеют низкий естественный коэффициент мощности,
причем его значения изменяются в широких пределах и зависят от час-
тоты тока, зазора между индуктором и изделием, магнитной проницае-
мости, удельного сопротивления и размеров нагреваемых изделий.
Исходя из величины коэффициента мощности, зависящей как от
частоты тока, так и от диаметра нагреваемых изделий, выбирают реактив-
ную мощность компенсирующей конденсаторной батареи, руководству-
ясь не только минимальным расходом электроэнергии, но и уменьшением
стоимости установки и сокращением производственных площадей.
Коэффициент мощности системы «индуктор - садка»
cos (ри = 1/ 71 + [(Ц+й+а)/(Рс+Р„)],	(4.9)
где Рс, Qc - соответственно активная и реактивная мощности, потреб-
ляемые цилиндрической садкой; Ри, Qn - соответственно активная и ре-
активная мощности индуктора; Q3 — реактивная мощность, рассеиваемая
в зазоре между индуктором и садкой.
82
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Реактивная мощность конденсаторной батареи (9к.б для компенса-
ции естественного cos <ри индукционного устройства
2к.б = Рк (tg Фи - tg Фк )>	(4-1 °)
где Рк - активная мощность индукционного устройства; <рк - сдвиг фаз
между током и напряжением в скомпенсированном контуре.
Активные потери в конденсаторах
AP,6=e,6tg8,	(4.11)
где tg 5 - тангенс угла диэлектрических потерь.
Коэффициент полезного действия конденсаторной батареи при
компенсации реактивной мощности индукционного устройства
Р	1
г|кб=----*----=-----------•	(4.12)
6 Рк+ДРкб 1 + АРкб/Рк
Обычно т|к.б достаточно высок, однако в отдельных случаях при
высоких частотах и низком cos сри потери в конденсаторах могут дости-
гать 10—12 % мощности индуктора.
4.2.	Диэлектрический нагрев
4.2.1.	Теоретические основы диэлектрического нагрева
Применение электрического тока, проходящего через диэлектрики
и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой
диэлектрического нагрева. Ему присущи следующие преимущества пе-
ред другими способами нагрева: большая скорость и равномерность на-
грева, высокая производительность процесса. Диэлектрический нагрев
является наиболее эффективным — при его осуществлении вся энергия
вносится в массу нагреваемого материала [3, 7].
Высокочастотный нагрев позволяет повысить качество продукции,
ускорить технологические процессы и получить при массовом производ-
стве большую экономию, несмотря на высокую стоимость применяемых
установок.
Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испы-
тывают на себе механическое воздействие, смещающее положительно
83
Часть I. Электротермия
заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно заряженные -
в другую. Тогда центры электрического действия положительных и от-
рицательных частиц не совпадают, и во внешнем пространстве такая
молекула ведет себя как диполь, т. е. как система двух равных, но про-
тивоположных зарядов +q и -q, смещенных друг относительно друга на
расстояние I (рис. 4.13, а). Такой диэлектрик, имеющий ориентирован-
ные в одном направлении диполи, называют поляризованным.
Произведение заряда частицы на смещение I называют электриче-
ским моментом диполя (Клм): т = ql. Последний связан с напряженно-
стью электрического поля Е соотношением
т = аЕ,
где а - мера упругой деформации молекулы или атома - их поляризуе-
мость.
Различают электронную, ионную и ориентационную поляризацию
атомов.
Электронная поляризация атомов (рис. 4.13, а) вызвана смещени-
ем электронного облака относительно ядра атома и приобретением по-
следним индуцированного дипольного момента. Время собственных ко-
лебаний электронов составляет 10 14-10 15 с, за это же время устанавли-
вается электронная поляризация.
Ионная поляризация молекул (рис. 4.13, б) вызвана упругим сме-
щением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической ре-
шеткой (ионы Na+ и С1~ в поваренной соли). Период собственных коле-
баний решетки составляет 10~12-10~13 с. Время ионной упругой поляри-
зации — того же порядка.
Ориентационная поляризация (рис. 4.13, в) имеет место в диэлек-
триках с молекулами, имеющими жесткие диполи независимо от нали-
чия внешнего электрического поля. Поляризация проявляется лишь
в частичном повороте и упорядочении диполей под влиянием внешнего
электрического поля.
Диэлектрик поляризуется не только в постоянном, но и в перемен-
ном электрическом поле. В этом случае направление поляризации меня-
ется с частотой поля, упругие диполи вибрируют, жесткие поворачива-
ются в прямом и обратном направлениях. Происходит и перемещение
зарядов, т. е. через диэлектрик протекает электрический ток. При распо-
ложении диэлектрика между обкладками конденсатора, на которые по-
дано напряжение от высокочастотного генератора, электрическая цепь
замкнется через этот генератор.
84
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Рис. 4.13. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле:
а - электронная; б - ионная; в - ориентационная
Поляризация вызывает потери энергии ввиду трения между моле-
кулами (потери трения) и перемещения диполей (дипольные потери).
Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводни-
ка, скорость которого определяется частотой изменения поля. Потери
при поляризации приводят к запаздыванию смещения молекул по от-
ношению к внешнему полю. С ростом частоты такое отставание увели-
чивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение часто-
ты приводит к уменьшению поляризации, что ведет к резкому сниже-
нию диэлектрической проницаемости вещества. При отсутствии потерь
ток опережает напряженность поля на угол 5 = 90°. Если поляризация
сопряжена с потерями и несколько запаздывает, ток опережает напря-
женность на угол 0 < 90°. Разность углов 5 и 0 (рис. 4.14) характеризует
потери в диэлектрике и называется углом диэлектрических потерь.
Процессы, протекающие в диэлектрике, помещенном в переменное
электрическое поле, определяются диэлектрической проницаемостью
s = s'-ys",
где j - плотность электрического поля, А/мм2.
Вещественная часть комплекса s' характеризует относительную
диэлектрическую проницаемость вещества — отношение емкостей кон-
денсатора до и после введения в него диэлектрика.
Мнимая часть
s" = s'tg 5
характеризует поглощение энергии поля диэлектриком и называется
коэффициентом потерь диэлектрика.
85
Часть I. Электротермия
Рис. 4.14. Векторная диаграмма
токов в диэлектрике в перемен-
ном электрическом поле
Рис. 4.15. Зависимость & и tg 8
от частоты электрического поля
Протекающий через конденсатор с диэлектриком ток I имеет две
составляющие: ток смещения 7СМ =(f>CU, где со - угловая частота, рад;
С - емкость, Ф; U - напряжение, В; и ток проводимости /п =qU. От-
ношение тока проводимости к току смещения
/„4„ = tg5
также определяет коэффициент потерь в диэлектрике.
Показатели 8 и tg 8 зависят от рода и агрегатного состояния веще-
ства, а также от частоты поля. Зависимость 8 и tg 8 от частоты поля по-
казана на рис. 4.15. Величина tg 8 имеет максимум при так называемой
релаксационной частоте f0, присущей каждому материалу.
Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, можно определить из
векторной диаграммы. Установлено, что мощность в диэлектрике, по-
мещенном в переменное электрическое поле, определяется только элек-
трическими параметрами 8 и tg 8 и параметрами поля: напряженностью
и частотой.
Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности диэлек-
триков и имеет низкие значения. Эта особенность диэлектрического на-
грева позволяет значительно ускорить процесс обработки материала по
сравнению с нагревом другими способами.
86
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
4.2.2.	Установки диэлектрического нагрева
Установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразде-
ляют на три вида.
Установки первого вида применяются в процессах обработки
крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электри-
ческом поле: сушка различных волокнистых материалов, целлюлозы
и лесоматериалов, обжиг электроизоляторов и фарфоровых изделий,
производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пласт-
масс и полимерных материалов.
Установки второго вида применяются для нагрева протяженных
плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бу-
маги, химических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука,
пастеризация.
В установках третьего вида проводятся следующие процессы: раз-
мораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, об-
жиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая.
Устройства диэлектрического нагрева по частотам подразделяют на
два вида: установки, работающие на высокой частоте, - ВЧ-установки
(частота - 66 кГц - 100 МГц), и установки сверхвысокочастотного нагре-
ва - СВЧ-установки (частота - 1 000 МГц и выше). Последние чаще
применяются при разогреве пищевых продуктов. Выбор рабочих пара-
метров установки определяется исходя из физических свойств нагревае-
мого материала [3, 7].
Главное условие равномерного нагрева по всему объему обраба-
тываемого материала - это превышение заданной глубины проникнове-
ния электромагнитной волны в материал по всей площади поперечного
сечения.
Напряженность электрического поля в конденсаторе не является
постоянной. В случае когда материал по своей структуре однороден
и нет зазора между ним и обкладками конденсатора, напряжение UM,
приложенное к материалу, равно напряжению С/Р.к, подводимому к ра-
бочему конденсатору (рис. 4.16, а, в). Напряженность электрического
поля в материале плоского конденсатора Ем -	, где dM - толщи-
на слоя нагреваемого материала (рис. 4.16, а). Материал в этом случае
будет нагреваться равномерно, поскольку удельная мощность, выделяе-
мая по всему объему, будет одинакова.
87
Часть I. Электротермия
Рис. 4.16. Схемы рабочих конденсаторов установок диэлектрического нагре-
ва: а, б - плоский конденсатор; в, г - коаксиальный конденсатор; dM - тол-
щина слоя нагреваемого материала; dB — размер воздушного промежутка;
Ем — напряженность электрического поля в данной точке; — расстоя-
ние от центра до данной точки
Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального
типа (рис. 4.16, в), то также UM = U , а напряженность электрического
поля Ем в известной точке материала можно найти по формуле
=Гр.к/[Я1п(Л2/Я,)],
(4.13)
где R - сопротивление материала, Ом; Ri - расстояние от центра до
внутреннего диаметра конденсатора, см; R2 - расстояние от центра до
внешнего диаметра конденсатора, см.
Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис. 4.16, б, г),
то Ев = еЕм (Ев - напряженность электрического поля в воздушном про-
межутке, кВ/см) и для плоского конденсатора
Г>,=Гр.к/«,+^в).	(4.14)
для коаксиального конденсатора (рис. 4.16, г)
м р.к
R In — + 81п —
< Л ^2
(4.15)
где L/ - напряжение, подводимое к конденсатору, В; £ - относительная
диэлектрическая проницаемость данного слоя или ее среднее значение
88
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
для ряда слоев нагреваемого материала; с/в _ размер воздушного проме-
жутка, см; R - сопротивление материала, Ом; Ri~R3 ~ расстояние от цен-
тра до данной точки, см.
В производственной практике установки диэлектрического нагре-
ва широко используются для термообработки пористых резин, изделий
перед штамповкой, склеиванием термореактивными клеями, для обра-
ботки сельхозпродуктов и т. д.
В процессах сушки, сопровождающихся выделением водяных паров
или других летучих веществ, напряженность поля в воздушном зазоре
в общем случае не должна превышать 1,0-1,5 кВ/см, однако в некоторых
процессах нагрева она может достигать и 5,0 кВ/см.
Установки диэлектрического нагрева по рабочим частотам подразде-
ляют на три диапазона частот: установки средневолнового (f = 0,3-
3,0 МГц), коротковолнового (f= 3-30 МГц) и метрового (f= 30-300 МГц)
диапазонов (рис. 4.17).
Средневолновые установки применяются для нагрева материалов
с большим фактором потерь stg 5: это очень влажные изделия небольших
размеров. Генераторы данных установок имеют относительно высокий
КПД (0,5-0,6) и изготавливаются мощностью до нескольких сотен кило-
ватт. Нагрев ведется при низких удельных мощностях = 0,01—
1,0 Вт/см3), длительности нагрева в десятки часов и высоком напряже-
нии на рабочем конденсаторе (10-15 кВ).
Рис. 4.17. Схема высокочастотного генератора для диэлектрического нагрева (а)
и эквивалентная схема нагрузки (б): Гд - индуктивность дросселя, защищающего
выпрямитель от высокой частоты; ЛГ - ламповый генератор; Ср — разделитель-
ный конденсатор; Сн - емкость нагревательного конденсатора; LK — индуктив-
ность колебательного контура; 7?| — активное сопротивление индуктивной ка-
тушки и соединительных проводов; RH - активное сопротивление нагрузки
89
Часть I. Электротермия
Коротковолновые установки используют для нагрева материалов
со средним значением фактора потерь. Коэффициент полезного дейст-
вия таких установок составляет 0,4—0,55. Мощность генератора достига-
ет нескольких десятков киловатт, объем одновременно нагреваемого
материала небольшой. Удельная мощность /?0 = 1—100 Вт/см3. Сушка
с испарением длится в течение нескольких часов, без испарения — доли
часа. Данные установки удобны при работе с воздушным зазором и для
осуществления методического нагрева.
Установки метрового диапазона имеют КПД 0,3—0,4. Они приме-
няются для нагрева материалов с малым значением электрических по-
терь 8tg 5 и могут работать с воздушным зазором. Объем рабочей каме-
ры составляет р0 = 0,1-3 кВт/см3, время нагрева - секунды.
Для установок сверхвысокой частоты необходима соизмеримость
геометрических размеров колебательных систем с длиной волны исполь-
зуемых колебаний. Колебательная система автогенератора объединена
с генераторной лампой в один вакуумированный блок. Нагрев в электро-
магнитном поле обеспечивается электромагнитным лучом в волноводе.
При нагреве тело находится под воздействием электромагнитного луча
рупорной антенны, которой заканчивается волновод. Нагрев в волноводе
обеспечивается бегущей волной и предназначен для термообработки
листовых материалов, жгутов, лент, жидкостей (рис. 4.18). В объемных
резонаторах нагревают изделия произвольной формы.
Рис. 4.18. Схема технологического узла установок
диэлектрического нагрева
90
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
В установках СВЧ-нагрева напряженность электрического поля
меньше, чем в установках метрового диапазона, что уменьшает опас-
ность электрического пробоя. В данных установках нагревают материа-
лы с низким значением фактора потерь - это продукты, слоистые мате-
риалы, медицинские препараты и т. д.
4.3.	Электроснабжение установок индукционного
и диэлектрического нагрева
Индукционная нагревательная или плавильная установка включает
следующие элементы: источник питания; согласующее устройство (со-
гласующий трансформатор, автотрансформатор); конденсаторную бата-
рею для компенсации реактивной мощности; индуктор установки; сеть,
связывающую источник питания с индуктором; аппаратуру защиты, ре-
гулирования и автоматического управления; механизмы подачи и пере-
мещения нагреваемого материала [9, 18, 22].
По частоте тока индукционные установки нагрева делят на уста-
новки промышленной, повышенной и высокой частоты.
Установки канальных и тигельных печей большой и средней мощ-
ности имеют промышленную частоту 50 Гц. Питание их осуществляют
от сетей внутризаводского электроснабжения напряжением 220, 380 или
660 В. Установки большой мощности питаются от сетей напряжением
6-10 кВ через высоковольтные печные подстанции.
Эксплуатация канальных индукционных печей регулировки не тре-
бует: так как температура жидкого металла в их каналах мала, электриче-
ские параметры печи меняются незначительно. Если же в одной и той же
печи расплавляются разные металлы или сплавы, то требуется регули-
ровка напряжения на зажимах печи в широких пределах. Тогда печи под-
ключают к сети через специальные печные трансформаторы или авто-
трансформаторы с секционированными обмотками.
Рассматривая индивидуальное или групповое питание печей, сле-
дует отметить, что каждое имеет свои преимущества и недостатки. Так,
недостатком группового питания является отсутствие индивидуальной
подстройки режима каждой печи при выходе из строя печного транс-
форматора, что (хотя случается очень редко) ведет к прекращению ра-
боты целой группы печей. Однако групповое питание обеспечивает бо-
лее высокий КПД установки и простоту ее обслуживания.
91
Часть I. Электротермия
Рис. 4.19. Схема включения индукционной печи через симметрирующее уст-
ройство (а), схема включения однофазной нагрузки в трехфазную сеть (б)
и векторная диаграмма токов и напряжений (в): ПТ - печной трансформатор;
ПСН - переключатель ступеней напряжений; Сс - симметрирующая ем-
кость; L — реактор симметрирующего устройства; Т — трансформатор напря-
жения; С1~СИ - компенсирующая конденсаторная батарея; И - индуктор пе-
чи; РСУ — регулятор симметрирующего устройства; АРР — автоматический
регулятор режима; К\-Кп - контакторы управления конденсаторной батареи
С1~С„; TAi, ТА2 — трансформаторы тока; А, В, С - фазы
Питание однофазных индукционных установок промышленной
частоты большой мощности от трехфазной сети не всегда возможно,
поскольку ведет к неравномерной загрузке фаз по току, что отрицатель-
но сказывается на работе других электроприемников, подключенных
к этой питающей системе: несимметрия токов вызывает несимметрию
напряжений (рис. 4.19).
Источники питания повышенной частоты. Индукционные уста-
новки повышенной частоты питаются от специальных агрегатов, после
преобразования трехфазного тока промышленной частоты в однофазный
92
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
ток повышенной частоты. Такими агрегатами являются машинные генера-
торы, статические умножители и тиристорные преобразователи частоты.
В схемах машинных преобразователей частоты индукционного
типа магнитная индукция В в любой точке воздушного зазора между
ротором и статором изменяется по величине, не изменяя своего направ-
ления. Пульсирующий магнитный поток статора создается с помощью
вращающегося ротора, имеющего зубчатую поверхность.
Рабочая обмотка переменного тока индукторного генератора укла-
дывается в пазы статора. На нем также располагается питаемая от обо-
собленного источника постоянного тока обмотка возбуждения. С ее по-
мощью создается магнитное поле, силовые линии которого направлены
нормально по отношению к зазору. Число зубцов статора в 2 раза боль-
ше числа зубцов ротора. При вращении ротора его зубцы создают пуль-
сации магнитной индукции в зазоре. Их частота и частота тока в рабо-
чей обмотке прямо пропорциональны числу зубцов ротора и частоте его
вращения. В производстве применяют машинные генераторы с рабочей
частотой 0,5-10 кГц.
С появлением трансформаторной стали с малыми потерями и кри-
вой намагничивания, близкой к прямоугольной, стало возможным соз-
дание статических умножителей частоты. Принцип получения более
высоких частот таким методом обоснован следующим образом. Когда
катушка с железным сердечником питается синусоидальным напряже-
нием, то с увеличением магнитного потока вследствие насыщения сер-
дечника форма тока все больше искажается, что вызывает нечетные
гармоники. При соединении трех таких катушек в трехфазную систему
это дает возможность получения тока утроенной частоты, так как ос-
новная волна погашается, а результирующая третьих гармоник в 3 раза
больше, чем в каждой из фаз.
Тиристорные преобразователи частоты. В отличие от машин-
ных генераторов тиристорные преобразователи частоты имеют сле-
дующие преимущества: значительно меньшую массу на единицу мощ-
ности; лучшую работоспособность при частичных и полных нагрузках;
возможность плавного изменения частоты в зависимости от режима
работы.
Принципиальная схема силовой цепи тиристорного преобразователя
частоты представлена на рис. 4.20. Выпрямительный блок II — это трех-
фазный мостовой управляемый выпрямитель, преобразующий перемен-
ный ток промышленной частоты в постоянный.
93
Часть I. Электротермия
Рис. 4.20. Схема силовой цепи тиристорного преобразователя частоты:
I - шкаф ввода питания; II - выпрямитель; III — блок реакторов; IV - инвер-
тор; V - нагрузка; L, Ц-Ц - сглаживающие реакторы; БП - блок пуска;
ВА — выключатель автоматический; С - емкость; R — резистор; Р\ — контак-
тор; Bj—В4 — вентили; 1,2- направление рабочего тока
Блок дросселей (реакторов) III предназначен для сглаживания вы-
прямленного тока, инвертор IV преобразует постоянный ток в однофазный
переменный повышенной частоты. В данном решении применен двухтакт-
ный инвертор, действие которого основано на поочередном отпирании вен-
тилей моста, в результате чего в нагрузке V будет проходить переменный
ток, частота которого равна частоте коммутации управляемых вентилей
инвертора. Так, при открывании вентилей В1-В2 ток через нагрузку проте-
кает в направлении 1, а при открывании вентилей В3-В4 — в направлении 2.
Блок пуска БП обеспечивает запуск преобразователя в работу [3,7].
Данный источник питания является преобразователем с явно выра-
женным звеном постоянного тока, в нем одна группа вентилей работает
в режиме выпрямления, а другая - в режиме инвертирования. Преобра-
зователи, в которых одни и те же вентили участвуют и в инвертировании,
и в выпрямлении, называют преобразователями с неявно выраженным,
или открытым, звеном постоянного тока. Тиристорные преобразовате-
ли частоты производят на частоты от 0,5 до 10 кГц.
Источниками питания для индукционного нагрева на высоких час-
тотах (50-11 000 кГц) служат ламповые генераторы. Питание генера-
торных ламп постоянным током существенно повышает экономические
показатели установки. Питание током промышленной частоты обеспе-
чивают только в установках малой мощности. Генераторы мощностью
94
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
выше 20 кВт изготовляют в виде четырех отдельных блоков. Силовой
трансформатор повышает напряжение внутризаводской сети до 6 ООО—
9 000 В, выпрямитель, собранный на тиратронах, преобразует перемен-
ный ток в постоянный напряжением до 9 000-15 000 В. Генераторный
блок может состоять из одной или нескольких трехэлектродных ламп.
Он преобразует постоянный ток в ток высокой частоты. Нагрузочный
блок имеет трансформатор с индуктором и конденсатором.
Ламповые генераторы высокой частоты изготавливают с независи-
мым возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы). В отличие
от генератора с независимым возбуждением в автогенераторе напряже-
ние возбуждения на лампу подается не от постороннего источника, а от
своей системы колебательных контуров через обратную связь. В индук-
ционных установках обычно применяют генераторы с самовозбуждени-
ем. Поэтому в его схему входят элементы, обеспечивающие возбужде-
ние генератора и управление его работой, а также блок согласования на-
грузки с возможностями лампового генератора.
В схеме обратной сеточной связи имеются конденсаторы, резисто-
ры и катушки связи, которые подают напряжение обратной связи на
сетку генераторной лампы. Генератор включает также в свой блок ка-
тушки регулирования мощности в нагрузке, стабилизаторы напряжения
накала и регулятор анодного напряжения, контрольно-измерительную,
коммутационную аппаратуру и измерительные приборы.
В случае высокочастотного нагрева диэлектриков используются
ламповые генераторы на более высокие частоты (5-300 МГц). Они со-
стоят в основном из тех же узлов, что и генераторы для индукционного
нагрева электропроводящих материалов, но, в отличие от последних,
нагрузкой в них является рабочий конденсатор, в котором размещается на-
греваемый материал. Так как в процессе нагрева емкость Сн (рис. 4.17, б)
и активное сопротивление RH изменяются, то меняются эквивалентное
сопротивление контура и режим работы генератора.
Для сохранения диапазона частот генератора неизменным во вре-
мя нагрева материала нужно поддерживать постоянным эквивалентное
сопротивление нагрузки, что достигается специальным регулированием.
Разработаны различные варианты схем колебательной системы с обес-
печением самовозбуждения, их выбор определяется необходимой час-
тотой автоколебаний и условиями ее стабильности.
В одноконтурных схемах для генерирования колебаний с частотой
до 1 МГц, как правило, применяется трансформаторная или автотранс-
форматорная связь.
95
Часть I. Электротермия
Рис. 4.21. Схема лампового генератора: 1 — блок питания; 2 — выпрямительный
блок; 3 — блок генератора; 4 — нагрузочный блок; Т — силовой трансформатор;
В - вентили; £р - разделительная индуктивность; Ср - разделительная емкость;
Ci—Сз - емкости колебательного и нагрузочного контуров; LK — короткозамкну-
тая катушка индуктивности; £|, L2 ~ индуктивности контуров связи и нагрузоч-
ного; L2 - катушка связи; И - индуктор; ЛГ — лампа генераторная
Используемые многоконтурные схемы автогенераторов дают воз-
можность плавно и в широких пределах изменять эквивалентное сопро-
тивление контура практически без снижения его КПД. При этом необ-
ходимо учитывать, что они имеют несколько резонансных частот, кото-
рые могут вызвать переход генератора с одной частоты на другую,
в связи с чем необходимо осуществлять обратную связь от вторичного
контура с индуктивной связью между контурами. Плавное изменение
сопротивления нагрузки обеспечивается перемещением короткозамкну-
той индуктивной катушки (рис. 4.21).
Промышленные установки для диэлектрического нагрева выпус-
кают с унифицированными узлами, с возможностью для совместной ра-
боты с различным оборудованием, например прессовым и т. п.
Установки для нагрева материалов, свойства которых изменяются
в процессе термообработки, или для включения их в конвейерные ли-
нии выпускают без технологических узлов, затем их дорабатывают на
месте под конкретно обрабатываемый материал и режимы обработки.
Магнетроны. В установках СВЧ-нагрева источниками концен-
трированного электромагнитного излучения являются магнетроны. На
рис. 4.22 приведена принципиальная схема многорезонаторного магне-
трона. Анодный блок магнетрона 1 — это массивный медный цилиндр
с центральным сквозным отверстием и симметрично расположенными
сквозными полостями 2, которые служат объемными резонаторами.
96
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Рис. 4.22. Принципиальная схема многорезонаторного магнетрона: а — схема
многорезонаторного магнетрона: 1 — анодный блок с восемью резонаторами
типа «щель-отверстие»; 2 - резонатор; 3 - ламель анода; 4 - связка в виде коль-
ца (второе такое же кольцо расположено на другом конце анодного блока);
5 - катод; 6 - вывод подогрева катода; 7 - радиатор; 8 - петля связи для вывода
СВЧ-энергии; 9 - стержень вывода СВЧ-энергии для присоединения к коакси-
альной линии; б - распределение высокочастотного электрического поля при
колебаниях л-вида; в - форма электронного облака при колебаниях л-вида;
1 - заземляющая система (анод); 2 - катод; 3 - граница электронного облака;
4 — форма траектории электронов; Е - силовая линия постоянного электриче-
ского поля; Е - силовые линии электрического СВЧ-поля; В — силовые линии
индукции магнитного поля; ое — скорость переносного движения электронов
а
Каждый резонатор соединен щелью с центральным отверстием,
в котором расположен катод 5. Резонаторы создают кольцевую колеба-
тельную систему, имеющую несколько резонансных частот. При данных
частотах на кольцевой колебательной системе укладывается от 1 до N/2
(N - число резонаторов) стоячих волн. Оптимальным является вид коле-
баний, при котором число полуволн равно числу резонаторов, - л-вид
колебаний (названный так потому, что напряжения на двух соседних
97
Часть I. Электротермия
резонаторах сдвинуты по фазе на л). Для стабильной работы магнетрона
необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебаний системы
значительно отличалась от рабочей частоты.
В магнетронах, имеющих одинаковые резонаторы, эта разность не-
существенна. Ее увеличение возможно введением связок в виде металли-
ческих колец 4 (рис. 4.22, а), одно из которых соединяет все четные, а дру-
гое - все нечетные ламели анода 3, или использованием разнорезонаторной
колебательной системы (четные резонаторы - с одними размерами, нечет-
ные — с другими). В магнетронах движение электронов осуществляется
в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях и в электро-
магнитном СВЧ-поле (300 МГц — 300 ГГц). Постоянное электрическое
поле создается между анодом 1 и катодом 2 (рис. 4.22, б, в), а постоянное
магнитное поле перпендикулярно силовым линиям электрического поля
и направлению движения электронов (вдоль оси катода). Под действием
магнитного поля электроны меняют направление движения, их радиальная
скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной.
При этом доля электрического СВЧ-поля проникает через щели резона-
торов в пространство «анод — катод». При перемещении в тангенциаль-
ном направлении электроны тормозятся тангенциальной составляющей
СВЧ-поля, вследствие чего их энергия, полученная от источника посто-
янного напряжения, преобразуется в энергию СВЧ-колебаний. Поле
сверхвысоких частот дважды за период колебаний меняет свое направле-
ние. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы они
от одного резонатора к соседнему перемещались за полпериода в танген-
циальном направлении. Это условие является основным принципом ра-
боты многорезонаторного магнетрона. Попадающие в ускоряющее СВЧ-
поле электроны преумножают свою кинетическую энергию и выпадают
из синхронизма. Они могут возвращаться на катод или попадать в тормо-
зящее СВЧ-поле и снова входить в синхронизм, при условии, что бли-
жайшая резонансная частота колебаний системы будет значительно от-
личаться от рабочей частоты.
> Итак, нагрев изделий и деталей с использованием электриче-
ского тока можно осуществлять за счет передачи тепла с помощью кон-
векции, радиации, теплопроводности. Однако существуют и иные вари-
анты нагрева с использованием электрического тока. К одному из таких
способов относится дуговой электрический нагрев, который возможен
при переходе вещества в четвертое состояние - плазму. Далее познако-
мимся со способами ее получения и практического применения.
98
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Найти диэлектрические потери Рд, возникающие за
счет тока смещения в материале, помещенном в электрическое поле.
Длина конденсатора а = 50 мм, ширина b = 20 мм, расстояние между
пластинами d= 1 мм. Напряжение промышленной частоты U= 100 кВ.
Тангенс угла диэлектрических потерь нагреваемого вещества tg 5 = 1.
Решение. Диэлектрические потери, кВт, находят по формуле
Рд =соС tg 6£/2,
где со - угловая частота электрического поля, Гц;
со - 2л/,
где/- промышленная частота,/= 50 Гц;
со = 2-3,14-50 = 314;
С - емкость конденсатора, Ф;
d ’
где £ - относительная диэлектрическая проницаемость; £0 - электриче-
ская постоянная, 80 = 8,85-10-12, Ф/м; S- площадь пластины, м2;
S - ab,
где а,Ь~ ширина и длина пластины соответственно, см;
5= 50 -20 = 1 000;
tg 5 - тангенс угла диэлектрических потерь нагреваемого вещества.
Получаем:
с=1.8,85.10-'<1000=	10_,
20
Д = 314 - 0,442 -10 9 -1 -1002 -106 = 1,39 кВт.
Ответ'. Рд = 1,39 кВт.
99
Часть I. Электротермия
Пример 2. Определить коэффициент мощности высокочастотной
установки для поверхностной закалки цилиндрических заготовок из уг-
леродистой стали диаметром J3= 30 мм и высотой Л3 = 90 мм. Глубина
закаливаемого слоя Xk = 1 мм, напряжение на индукторе ии = 100 В, ток
индуктора /и = 3 000 А, КПД индуктора т|и = 0,66.
Решение. Коэффициент мощности определяем по формуле
cos ф - ——
ил
Из графика принимаем значение удельной мощности АР =
= 400 Вт/см2.
Мощность, кВт, подводимая к индуктору:
ДРтЦТуЮ3  400-3,14-ЗО-1О3
Следовательно, коэффициент мощности
cos ф
57-Ю3
100-3 000
= 0,19.
Ответ', cos ф = 0,19.
Задачи
1.	Определить мощность, выделяющуюся в диэлектрике, между
обкладками конденсатора, если известно, что ток смещения /см = 30 А
100
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев
и ток проводимости /ПР = 20 А. Размеры пластин конденсатора: а = 0,5 м,
b = 0,3 м; U = 380 В, диэлектрическая проницаемость & = 0,8 • 10~5 Ф,
расстояние между пластинами </=0,1 м.
2.	Определить время нагрева детали в установке индукционного
нагрева. Начальная температура детали - 300 К, конечная - 500 К.
Количество заготовок, нагреваемых в индукторе, - 8, каждая массой
0,9 кг. Средняя удельная теплоемкость в этом интервале температур -
18,7 Дж/(кг • К). Коэффициент полезного действиия индуктора -
0,8, КПД конденсаторной батареи - 0,78, КПД линии - 0,84, КПД ис-
точника питания — 0,9.
3.	Напряжение, подведенное к индукционной канальной печи,
U = 220 В. Полное сопротивление канала R = 50 Ом. Приведенное
полное сопротивление печи - 0,6 Ом, а приведенное активное сопро-
тивление печи - 0,2 Ом. Определить ЭДС вторичной обмотки и ко-
эффициент мощности печи.
4.	Площадь пластин плоского воздушного конденсатора 5 = 0,01 м2,
расстояние между ними d = 5 мм. К пластинам приложена разность по-
тенциалов U= 300 В. После отключения конденсатора от источника на-
пряжения пространство между пластинами заполняется эбонитом. Ка-
кова будет разность потенциалов U между пластинами конденсатора?
5.	Найти выделившуюся мощность ВЧ-установки диэлектрического
нагрева коротковолнового диапазона при частоте поля 100 кГц и магнит-
ном потоке в индукторе 3,8 • 106 Вб. Число витков индуктора - 13, пол-
ное сопротивление магнитной цепи Z = 50 Ом, реактивное сопротивле-
ние х = 40 Ом.
Вопросы для самопроверки
1.	На чем основан индукционный нагрев проводников?
2.	В каких технологических процессах применяется индукцион-
ный способ нагрева?
3.	Каково устройство индукционных канальных печей?
4.	Каково устройство индукционных тигельных печей?
5.	Какие бывают режимы работы индукционных установок сквоз-
ного нагрева?
6.	В каких процессах применяют индукционные установки по-
верхностного нагрева?
101
Часть II. УСТАНОВКИ ДУГОВОГО
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Глава 5. ТЕОРИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
5.1.	Ионизация газов.
Плазма - четвертое физическое состояние вещества
Различные газы и их смеси (воздух, аргон, водород, гелий, углекис-
лый газ и др.) в нормальных условиях не проводят электрический ток. Они
становятся проводниками тогда, когда в их среде кроме молекул и атомов
появляются свободные заряженные частицы - электроны, положительные
и отрицательные ионы и газ превращается в плазму [3, 7, 19].
Плазма — ионизированный газ, в котором концентрации положи-
тельных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). Превра-
щение газа в плазму происходит не сразу. Для молекулярных газов внача-
ле протекает диссоциация - образование атомов, затем возникают заря-
женные частицы: таков механизм ионизации газа. Она может происходить
в газе в результате его нагрева, поглощения энергии рентгеновского или
ультрафиолетового излучения, действия электрического поля, космиче-
ских лучей, лучей лазера и т. д.
Отрицательные ионы возникают при захвате молекулой или ато-
мом свободных электронов. Положительные ионы возникают при поте-
ре атомом или молекулой одного или нескольких электронов.
Для образования ионов необходимы затраты энергии на преодоле-
ние кулоновских сил притяжения между электроном и положительным
ионом. Ее называют энергией, или работой, ионизации АИ и определяют
как произведение заряда электрона е0 на потенциал ионизации UH:
Ли —	*
Численные значения АИ и ии равны, если АИ выражать в электрон-
вольтах (эВ). Величина работы ионизации АИ = 3,9-26 эВ характеризу-
ет химическую активность элемента (так как при ионизации отрывают-
ся валентные электроны) и составляет: для цезия - 3,9, калия - 4,3,
циркония - 6,8, железа - 7,9, водорода - 13,6, азота - 12,4, гелия - 24,6 эВ.
102
Глава 5. Теория дугового разряда
После отрыва самого слабосвязанного электрона, от атома могут отры-
ваться электроны и более сильносвязанные.
Главным видом ионизации в среде электрического поля является
ударная ионизация электроном. Вышедший из катода электрон под дей-
ствием силы электрического поля ускоряется и при встрече с нейтраль-
ными атомами или молекулами может выбить из них электроны или
придать им некоторую скорость. Таким образом, при движении электро-
на от катода к аноду может произойти целая серия столкновений, за счет
этого температура газа повысится. При высоком давлении и больших
градиентах поля такой вид ионизации может привести к существенному
повышению температуры и росту сквозного тока проводимости.
Имеющиеся в газе ионы тоже могут принимать участие в иониза-
ции, но, так как они имеют малую скорость, их влияние в ионной иони-
зации в дуговых разрядах несущественно. При высоких же температу-
рах, когда скорость молекул велика, частые встречи ионов и нейтраль-
ных частиц вызывают термическую ионизацию газа.
Фотоионизация - ионизация атомов излучением достигается, ко-
гда энергия фотона hv превышает работу ионизации АИ.
Исходя из того что все виды ионизации: тепловое движение частиц,
электрическое поле, световое излучение - увеличивают скорость переме-
щения частиц, нетрудно предположить, что и наложение высокочастотно-
го напряжения тоже должно приводить к ионизации среды. Это так и про-
исходит. Приложение ВЧ-напряжения приводит к значительной иониза-
ции и появлению ВЧ-короны даже при низких уровнях напряжения.
Процесс ионизации одновременно сопровождается и процессом де-
ионизации — рекомбинацией положительных и отрицательных частиц
и диффузией их за пределы ионизированного объема газа. Процесс деио-
низации зависит от давления и температуры. При увеличении давления
и понижении температуры плазма быстро деионизируется, теряет свою
электропроводность и становится нейтральным газом. Деионизация уско-
ряется диффузией заряженных частиц из нагретых плазменных объемов.
Различают равновесную и неравновесную плазму. Плазму назы-
вают равновесной, если температуры ее молекул, атомов, ионов и элек-
тронов одинаковы. Такую плазму называют также изотермической.
Неравновесной, или неизотермической, называют плазму, у которой
температуры компонентов неодинаковы. Отсутствие равновесия наблюда-
ется, как правило, при низких давлениях и в сильных электрических полях.
В этом случае средняя скорость электронов значительно выше средней
скорости других частиц, что и вызывает повышенную температуру плазмы.
103
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
5.2.	Электродуговой разряд
При некоторых электротермических процессах, идущих с погло-
щением большого количества тепла, используется электродуговой раз-
ряд, или электрическая дуга, которая дает возможность нагревать раз-
личные среды до высоких температур, достичь которых невозможно
при сжигании какого-либо топлива. Эти возможности электрической
дуги вызвали интерес к ее изучению. Термины «разряд», «дуговой раз-
ряд» возникли как описание явления потери заряда батареей гальвани-
ческих элементов или конденсаторов через газы и вакуум [3, 7].
Формы существования электрической дуги бывают разнообраз-
ные, но сохранилось первоначальное ее название «дуга», данное этому
явлению одним из первых российских электротехников В. В. Петровым
еще в 1802 г. при описании разряда между горизонтальными электрода-
ми в воздухе.
В настоящее время всё больше технологических процессов пере-
водится на дуговой нагрев: найдены возможности регулирования разря-
да и использования его ранее неизвестных свойств. Электрическая дуга
является одним из уникальных явлений, возникающих при прохожде-
нии электрического тока через газ, пар или вакуум.
Электрические разряды в газах очень разнообразны. Их подразде-
ляют на самостоятельные и несамостоятельные. Заряженные частицы
в самостоятельных разрядах образуются за счет энергии источника тока.
При поддержании несамостоятельного разряда используется воздейст-
вие внешних факторов, поддерживающих ионизацию газов. Электриче-
ская дуга отличается высокой плотностью тока в канале разряда (поряд-
ка 102—106 А/см2), низким катодным падением потенциала (менее 20 В),
высокой температурой газовой среды в межэлектродном промежутке,
достигающей порядка (3-5) • 103 К, а иногда и выше.
В схеме, смонтированной из металлических проводников, элек-
трическая энергия передается электронами. Если же в цепь включен
проводник второго рода, то прохождение электрического тока сопрово-
ждается протеканием сложных процессов, в результате которых элек-
троны становятся носителями электрических зарядов другого вида, а за-
тем снова превращаются в электроны.
Для обеспечения прохождения тока по цепи с наличием электри-
ческой дуги, электрону необходимо покинуть электрод-катод (а следо-
вательно, преодолеть силы притяжения к ядру атома) и затем войти в по-
верхность анода. Для выхода из катода электрону нужно преодолеть
104
Глава 5. Теория дугового разряда
силу статического взаимодействия с электронной оболочкой атома
и потенциальный барьер электрода, т. е. совершить работу выхода. Для
различных веществ она будет разной. Так, для магния работа выхода
равна 1,0 эВ, для алюминия - 2,8, для ниобия - 4,0, для вольфрама - 4,5,
для железа - 4,77 эВ и т. д.
Необходимая работа выхода электронов для данного металла всегда
меньше энергии его ионизации. Чтобы вывести электрон из атома металла,
необходимо повысить его энергию. Это можно достичь двумя способами:
наложением мощного электрического поля (автоэлектронная эмиссия)
и повышением температуры электрода (термоэлектронная эмиссия).
Возможность разогрева электродов в самостоятельном разряде дос-
тигается за счет бомбардирования поверхности электрода ионами. Эмис-
сию электронов катодом в результате его разогрева называют термоэлек-
тронной эмиссией.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии утэ, А/см2, зависит от
температуры и материала катода и определяется по формуле
Лэ = 4Г2е~в<	(5.1)
где Ai, Bi - постоянные, зависящие от материала электродов; Т-темпе-
ратура поверхности электрода, К; е - энергия электрона, Дж.
Значения Ai и Bi равны соответственно для кальция 0,12 и 3 5000,
для углерода - 5,03 и 45 700, для вольфрама - 60,2 и 52 700 и т. д.
При повышении температуры ток эмиссии стремительно растет. Так,
например, для вольфрамового катода в вакууме плотность тока термоэлек-
тронной эмиссии при 1 500 К составляет менее 107 А/см2, а при 3 500 К
она увеличивается более чем на девять порядков - до -220 А/см2.
При напряженности электрического поля у холодных электродов
106—107 В/см возникает автоэлектронная эмиссия — вырывание элек-
тронов электрическим полем. Плотность тока автоэлектронной эмиссии
у'аэ определяется по формуле
=	(5-2)
где Л2, В2 ~ постоянные для данного материала электродов; Е - напря-
женность электрического поля у поверхности электрода, В/см.
Анализируя выражения (5.1) и (5.2), следует заметить, что плот-
ность тока автоэлектронной эмиссии находится в большей зависимости
от напряженности электрического поля.
105
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Катодное
падение
напряжения
Область катодного
падения напряжения
Анодное
падение
напряжения
Область анодного
падения напряжения
Столб дуги
Рис. 5.1. Распределение потенциала и носителей электричества вдоль канала
столба дуги: В - катодное падение напряжения; А - анодное падение напря-
жения; £д — длина дуги; (), (-) - направление движения электронов
Ток автоэлектронной эмиссии слабо зависит от температуры до
1 000 К. При более высоких температурах начинает проявляться термо-
электронная эмиссия. В этом случае суммарную плотность тока с по-
верхности электрода можно определить по формуле
j = А(Т2 + сЕ2)ев/(т+сЕ),	(5.3)
где А, В - постоянные для чистых металлов, А = 120,4 А/(см2 • К2); Т -
температура поверхности электрода, К; с - корректирующий коэффици-
ент активирующих добавок; е - энергия электрона, Дж.
С целью повышения тока эмиссии и снижения работы выхода
электронов, в материал электродов вводят активирующие добавки в ви-
де щелочных или редкоземельных металлов, а также их оксидов. Так,
например, ионизирующими добавками для вольфрама служат TI1O2,
LaC>2, А1СаС>2, AlCaBaO, для углерода - Cs, Li, К, Na, Са.
106
Глава 5. Теория дугового разряда
На расстоянии более 4-5 мм между электродами вдоль дугового
промежутка наблюдается определенное распределение потенциала. Для
осесимметричного дугового столба распределение потенциала соответ-
ствует показанному на рис. 5.1.
В межэлектродном промежутке можно выделить три основные зо-
ны: область катодного падения 1 потенциала протяженностью (от катода)
примерно 10~6 м, характеризующаяся падением потенциала около 8-15 В;
область положительного дугового столба 2 напряжением от нескольких
вольт до нескольких киловольт в зависимости от длины и условий горе-
ния дуги; область анодного падения потенциала 3, имеющая протяжен-
ность порядка 10 6 м и падение потенциала 2-20 В. Полное падение на-
пряжения между электродами выражается формулой
ид=иа+ик+ЕЬд,	(5.4)
где Ua и UK - анодное и катодное падения потенциала, В; Е - напряжен-
ность электрического поля (линейный градиент напряжения) дугового
столба, В/м; /Л1 - длина дуги, м.
5.3.	Закономерности плазмы
электродугового столба
Анализ процессов, протекающих в приэлектродных областях и на
электродах, и их закономерностей, применительно к электротехнологи-
ческим установкам, имеет следующие цели:
а)	выявление закономерностей переноса теплоты и материала
электрода при электродуговой сварке, плазменно-дуговой и плазменной
сварке и резке металлов, переплаве металлов в дуговых печах;
б)	создание тугоплавких нерасходуемых или малорасходуемых
электродов для электродуговых печей, плазменных генераторов (плаз-
мотронов) и т. д.
Непосредственный контакт электрической дуги с электродами про-
исходит в электродных пятнах. Они различаются проходящими в них
процессами. Так, из прикатодных участков плазмы ионы перемещаются
к катоду и разогревают его, отдавая энергию нейтрализации и собствен-
ную кинетическую энергию. В результате у поверхности катода образу-
ется положительный электрический заряд, а у поверхности анода -
отрицательный. При прохождении заряженных частиц - электронов
107
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
и ионов - через эти пространственные заряды образуются анодное и ка-
тодное падения потенциалов.
Выделяющаяся на аноде мощность
а=4(^а+Ч>).	(5.5)
где /д - ток дуги, A; L7a - анодное падение потенциала, В; ф - работа вы-
хода электрона, эВ.
Анодное падение потенциала зависит от материала анода, его тем-
пературы плавления и силы тока.
Выделяющаяся на катоде мощность
Ц=/Ж-<р),	(5.6)
где UK - катодное падение потенциала, В.
Для катода работу выхода электрона ф берут со знаком «минус»,
так как электрон, покидающий катод, уносит с собой энергию и катод
остывает.
Проведем анализ баланса энергии на электродах. Энергию, посту-
пающую в электрод, представим состоящей из следующих компонентов:
а)	энергии теплоты внутреннего источника (I2R - джоулева тепло-
та, выделяющаяся на границе электрода с плазмой);
б)	энергии теплоты внешнего источника, связанного с приходом
электрических зарядов на электрод;
в)	излучения плазмы дуги;
г)	конвективного нагрева окружающим газом;
д)	теплоты от экзотермических реакций материала электродов
с окружающими газами.
Проанализируем первую составляющую. На рис. 5.2 показаны ли-
нии, по которым электрический ток переходит из электрода в столб дуги.
Область концентрации токовых линий находится непосредственно под
электродным пятном и отличается повышенной плотностью тока.
Тепловая энергия внешнего источника обусловлена мощностью,
выделяющейся в приэлектродных областях.
Выделение теплоты за счет конвективного теплопереноса можно на-
блюдать лишь тогда, когда высокотемпературный газ омывает электрод.
Теплота, обусловленная прохождением на электродах экзотерми-
ческих реакций, зависит от химической активности системы «плазма -
материал электрода».
108
Глава 5. Теория дугового разряда
Рис. 5.2. Схема линий тока на границе «дуговой столб - электрод»
Пути отвода энергии:
1)	за счет теплопроводности в тело электрода;
2)	в результате уноса теплоты при испарении и разбрызгивании
электрода;
3)	в результате уноса энергии электронами, которые эмитируют
разогретые поверхности электродов;
4)	за счет отвода теплоты от электродов излучением, вследствие
того что электродные пятна имеют высокую температуру.
Электроды дуговых установок. Электроды, применяемые в ду-
говых установках, бывают двух типов: легкоплавкие и тугоплавкие.
Тугоплавкие электроды изготавливают из графита и материалов на
его основе, а также из металлов, имеющих высокую температуру плав-
ления: вольфрама, молибдена, тантала и др. Они могут выдерживать
большие тепловые потоки и обеспечивать высокую плотность тока тер-
моэлектронной эмиссии.
Технологические процессы с использованием тугоплавких элек-
тродов подразделяют на два вида:
а)	процессы, проходящие в установках с использованием материа-
ла электрода (вакуумные дуговые печи). Это так называемые установки
с расходуемым электродом',
б)	процессы, происходящие в установках с нерасходуемыми электро-
дами'. электродуговой нагрев различных газов в плазмотронах, вакуумные
дуговые печи, определенные виды сварки и электрической резки металлов.
109
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 5.3. Конструкция катодного узла плазмотрона: 1 — вольфрамовый стер-
жень; 2 - наконечник
На рис. 5.3 приведена конструкция катодного узла плазмотрона.
Катод изготовлен в виде вольфрамового стержня 1, выступающего на
несколько миллиметров из охлаждаемого наконечника 2. Вольфрамо-
вый катод используется для работы в электродуговых нагревателях газа
при токах от 100 до 2 000 А в среде аргона, водорода и азота, исклю-
чающих присутствие кислорода.
Электроды из легкоплавких материалов применяются в технологи-
ческих процессах с расходуемыми электродами: это электродуговая
сварка, переплав металлов и их сплавов в вакуумных дуговых печах и др.
5.4.	Дуга переменного тока
Дуга переменного тока в отличие от дуги постоянного тока имеет
меняющиеся во времени ток и напряжение: /д = /(т) и ;/л= /(т). Дваж-
ды за период ток и напряжение дугового разряда проходят через нулевую
точку и меняют направление, по этой причине меняется и полярность
электродов. Причем каждый раз происходит погасание и зажигание элек-
трической дуги. При угасании дуги в межэлектродном промежутке про-
исходят следующие процессы: деионизация промежутка и увеличение
потенциала на электродах. При этом сила тока дуги /д и напряжение ис-
точника питания цд совпадают по фазе. Из осциллограммы на рис. 5.4
следует, что дуга загорается при напряжении щ и гаснет при напряже-
нии г/2- Температура в межэлектродном пространстве снижается и про-
исходит процесс деионизации промежутка.
С последующим изменением полярности электродов напряжение
между ними постепенно увеличивается: при напряжении щ большем, чем
НО
Глава 5. Теория дугового разряда
надо для пробоя диэлектрической прочности межэлектродного промежут-
ка, возникает электрическая дуга, электрический ток в которой течет в об-
ратном направлении. Условие, при котором загорается дуга, выражается
соотношением
cLE7dx « dU I dr,
(5.7)
где dE I с1т - скорость нарастания диэлектрической прочности газа меж-
электродного промежутка; dU / dr - скорость нарастания напряженно-
сти электрического поля между электродами.
Так как дуга дважды за период гаснет и загорается, то кривая на-
пряжения имеет пики зажигания и угасания. После зажигания дуги сле-
дует уменьшение напряжения на ней вследствие дальнейшего увеличе-
ния тока (по синусоиде) и, соответственно, повышение температуры.
Рис. 5.4. Осциллограммы тока и напряжения дуги в цепи с активным (а)
и индуктивным (б) сопротивлением: ис — напряжение в сети; ил — напряжение
на дуге; /д - ток дуги; т — время
111
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
После прохождения тока через максимум величина напряжения на
дуге остается неизменной и начинает повышаться при снижении тока
перед погасанием дуги.
Электрическая дуга при определенных условиях может сущест-
вовать с паузой тока и без паузы в момент перехода тока через ноль.
С целью облегчения зажигания и поддержания непрерывного горения
дуги в цепь последовательно с ней включают катушки индуктивности.
Анализ кривых на рис. 5.4 показывает, что после снижения напря-
жения источника питания ниже напряжения дуги, ее горение поддержи-
вается за счет электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности.
Путем изменения индуктивности можно получить такой сдвиг угла ф,
при котором дуга будет гореть не прерываясь: например, если отноше-
ние u.JU т (где Um - амплитудное значение напряжения сети, В) при-
близится к 0,54, a cos ф-к 0,85. Если мощность дуги на тугоплавких
раскаленных электродах достаточно велика, она может устойчиво го-
реть и при меньших значениях индуктивности.
При горении дуги между электродами, имеющими разную темпе-
ратуру и эмиссионные свойства, в токе дуги появляется выпрямитель-
ный эффект, например между угольным и медным водоохлаждаемыми
электродами. Температура угольного электрода существенно выше,
благодаря чему условия термоэлектронной эмиссии на нем лучше и она
обеспечивает высокую плотность тока. На медном катоде плотность то-
ка термоэлектронной эмиссии меньше, поэтому и ток дуги в этом полу-
периоде меньше или полностью отсутствует, чему способствует и ох-
лаждение дуги вблизи медного электрода, а также перемещение конца
дуги по нему. Величина и направление постоянной составляющей дуги
непрерывно изменяются, вызывая тем самым дополнительные потери
в источниках питания дуговых установок переменного тока.
Электрическая дуга переменного тока в отличие от дуги постоян-
ного тока имеет динамическую вольт-амперную характеристику, кото-
рую обычно строят по осциллограммам напряжения и тока (рис. 5.5):
она характеризует изменение напряжения дуги от изменения силы тока
в диапазоне полного периода.
Динамическая вольт-амперная характеристика дуги зависит от
значения dz / di и от частоты переменного тока. Если во время измене-
ния силы тока состояние дуги не меняется, то дуга ведет себя как про-
водник с активным сопротивлением и ей соответствует безгистерезис-
ная характеристика.
112
Глава 5. Теория дугового разряда
Рис. 5.5. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги переменного
тока: а - гистерезисный график зависимости вольт-амперной характеристики
дуги; б - осциллограммы напряжения и тока дуги
Гистерезисный характер зависимости объясняется тепловой инер-
ционностью плазмы дуги. Верхняя ветвь петли присуща началу полупе-
риода, когда наблюдается рост тока и разогрев плазмы, нижняя - второй
половине полупериода, когда снижающийся ток проходит в плазме,
объем которой равен ранее протекавшему максимальному току.
5.5.	Регулирование электрической дуги
Для получения режима длительного устойчивого горения дуги
нужно согласовать ее характеристику с характеристикой источника
питания. При питании дуги от источника большой мощности, ток ду-
ги может расти до тех пор, пока вольт-амперная характеристика дуги
и внешняя характеристика источников питания не пересекутся, т. е.
ток будет стремиться к бесконечности. Для ограничения силы тока
дуги в цепь последовательно с ней включают активное сопротивление
(рис. 5.6).
ИЗ
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 5.6. Вольт-амперная характеристика системы «дуга - балластное сопро-
тивление - источник питания»
В данном случае уравнение напряжения конечной мощности
может быть представлено следующим выражением:
dz
U^U.+I.R+L-f-,	(5.8)
ат
где (/д - напряжение на дуге, В; /д - ток дуги, A; R - сопротивление, Ом;
L — индуктивность, Гн; т — время, с.
Рассмотрим рис. 5.6. Прямая линия (С/ист пересекает вольт-
амперную характеристику дуги в точках А и В". Этим точкам соответ-
ствуют токи IA и IB. Рассматриваемую характеристику можно разбить
на три зоны: зона левее точки А - зона устойчивого гашения дуги; меж-
ду точками А и В" - зона горения дуги; правее точки В" - зона ограни-
чения тока. Дуга может гореть устойчиво лишь при токе IB, точка А со-
ответствует неустойчивому горению дуги.
В момент пробоя межэлектродного промежутка и загорания дуги
по цепи начинает течь ток. Правее точки А, например в точке В', между
вольт-амперной характеристикой дуги и внешней характеристикой пи-
тающей сети имеется подпитывающая ЭДС (на графике не показана),
способствующая увеличению тока дуги. В точке В ЭДС равна нулю, так
как напряжения источника и дуги имеют одинаковые значения. Далее от
точки В" до точки В"' горение дуги невозможно, из-за того что напря-
жение на ее электродах должно быть больше, чем может дать цепь при
114
Глава 5. Теория дугового разряда
этой величине тока. В точке А случайному увеличению тока соответст-
вует положительное значение ЭДС, которая и стремится увеличивать
ток до предельного значения IB.
Мощность, выделяющаяся в дуге, будет определяться силой тока
и напряжением. Энергия, потребляемая от источника питания, расходу-
ется на энергию, выделяющуюся в дуге, и энергию, рассеивающуюся на
балластном сопротивлении силовой цепи.
Вольт-амперная характеристика дуги и внешняя характеристика
источника питания с включенным последовательно между ним и дугой
балластным сопротивлением показаны на рис. 5.7. В точке В баланс
энергии источника питания можно определить из выражения
(5.9)
где Rq - балластное сопротивление, Ом.
На рис. 5.7 видно, что левее точки В это соотношение не выдержива-
ется, так как появляется еще одна составляющая Р - запас мощности ре-
гулирования, которая и обеспечивает в точке В горение дуги.
Регулировать мощности электрической дуги возможно тремя спо-
собами:
1)	путем изменения напряжения питающей сети при постоянном
балластном сопротивлении. Регулировка осуществляется изменением то-
ков I], Л и /3 и соответственно напряжений Ui, U2 и (/3. При этом методе
напряжение источника питания можно изменять как за счет переключения
числа витков трансформатора, так и за счет изменения сопротивления
в цепи возбуждения генератора (рис. 5.8, а);
Рис. 5.7. Вольт-амперная характеристика дуги и источника питания
115
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 5.8. Вольт-амперная характеристика дуги: а — при изменении напряже-
ния источника питания; б - при изменении балластного сопротивления
2)	изменением балластного сопротивления при неизменном на-
пряжении источника питания (рис. 5.8, б). При этом способе регулиро-
вания нужно иметь многоступенчатое сопротивление. По сравнению
с первым этот способ менее экономичен, так как источник вырабатыва-
ет постоянную мощность и при уменьшении мощности дуги избыток
энергии падает на балластном сопротивлении;
3)	путем воздействия на дугу различными факторами: можно из-
менять условия ее горения при постоянных напряжениях источника
и сопротивления в силовой цепи. Факторами, влияющими на дугу, мо-
гут быть: наложение магнитного поля на дуговой разряд; поток газа;
изменение давления среды и самой среды, в которой горит дуга; изме-
нение длины дугового столба.
Питание дуги от индивидуальных источников энергии и регулиро-
вание мощности, а также создание падающей характеристики цепи целе-
сообразно производить на стороне переменного тока включением дрос-
селей с регулируемым индуктивным сопротивлением или изменяемой
индуктивностью трансформаторов, входящих в источник питания. Дан-
ные действия повысят КПД системы «источник питания - электрическая
дуга» и увеличат крутизну характеристики питающей цепи. Крутые или
вертикальные характеристики источников сварочного тока позволяют
более точно поддерживать расчетное значение тока дуги независимо от
изменения условий ее горения. Исходя из этого были разработаны спе-
циальные источники питания дуги - параметрические источники тока,
тиристорные преобразователи и другие устройства.
116
Глава 5. Теория дугового разряда
Способы зажигания дуги. Существует несколько способов воз-
буждения дугового разряда: импульсное касание электродов; взрыв
проводника малого сечения — проволочки; высокочастотный высоко-
вольтный пробой межэлектродного промежутка.
В точке касания электродов под напряжением в переходном контакте
выделяется большое количество тепловой энергии, которая вызывает рас-
плавление участка электрода. При последующем разведении электродов
мостик из расплавленного металла взрывается. Под действием электриче-
ского поля между электродами горячие участки электрода увеличивают
ионизацию продуктов электрического взрыва жидкого металла и замыкают
цепь тока через образовавшуюся плазму. При токе дуги более 50 А
скорость разведения электродов не должна превышать 0,01 м/с.
Когда электроды неподвижны или скачок тока, возникающий при
их замыкании, оказывается выше допустимых пределов, зажигание дуги
производится включением источника питания на закороченные тонким
проводником электроды. Для гарантированного возбуждения дуги нуж-
но, чтобы проволочка взрывалась при токе, близком к расчетному току
дуги. Материал проволочки нужно подбирать так, чтобы он имел высо-
кую температуру плавления и после взрыва температура продуктов
взрыва была близкой к температуре плазмы дугового разряда.
Зажигание электрической дуги импульсным пробоем межэлек-
тродного промежутка, находящегося под напряжением источника пита-
ния дуги, осуществляется с помощью осциллятора. Осциллятор - это
преобразователь тока промышленной частоты низкого напряжения
(60-220 В) в ток высокой частоты (150—500 кГц) высокого напряжения
(2 000-8 000 В).
Принципиальная схема осциллятора представлена на рис. 5.9. Она
включает: повышающий трансформатор Ti с выходным потенциалом
3-8 кВ, искровой разрядник Р, высокочастотный трансформатор Т2, то-
коограничивающее сопротивление R, емкость Ск и индуктивность LK,
создающие колебательный контур КК, выделяющий из широкого спек-
тра частот, генерируемых искровым разрядом, частоту 150-500 кГц,
необходимую для пробоя межэлектродного промежутка и безопасную
для человека.
Частоту колебательного контура находят по формуле
А = [1/(2я)] #АСк)-А7(44) ,	(5.10)
где R*. - активное сопротивление контура.
117
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 5.9. Принципиальная схема осциллятора: Ti - повышающий трансфор-
матор; Т2 - высокочастотный трансформатор; Р - искровой разрядник;
R — токоограничивающее сопротивление; Ск - емкость колебательного
контура; Св — емкость высокочастотного трансформатора; Тк — индуктив-
ность колебательного контура; LB - обмотка Т2; КК — колебательный контур
высокочастотного трансформатора; 1—3 - контакты
Индуктивность L и емкость С исключают попадание высокой час-
тоты в питающую сеть, емкость Съ препятствует попаданию напряжения
источника питания дуги в обмотку трансформатора высокой частоты.
> Дуговой электрический разряд благодаря своему термическому
воздействию позволил не только осуществлять нагрев материалов и из-
делий до нужной технологической температуры, но и достигать темпе-
ратуры плавления практически любых материалов, что нашло примене-
ние в металлургии. Так появились дуговые электрические печи разных
конструктивных вариантов, которые далее мы и рассмотрим.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить коэффициент мощности плазмотрона при фа-
зово-импульсном регулировании, если известно напряжение сети Uc = 6 кВ,
основная гармоника тока 1\ = 150 А, полный ток I = 180 A, cos <р = 0,8, ко-
эффициент искажения v = 0,6, реактивная мощность Q = 92,6 квар.
Решение. Определим активную мощность печи, кВ • А:
Р = UJ, cos (р = 6 000 • 150 • 0,8 = 720.
d	С 1	т	у
Вычислим мощность искажения, кВ • А:
Т =	(/2 - /2) = J6 ООО2 (1802 -1502) = 83.
118
Глава 5. Теория дугового разряда
Полная мощность составит, кВ • А:
5 = Jp2+Q2+T2 = л/7202+92,62+832 = 742.
Получим коэффициент мощности установки:
х = (Pa / S) v cos ср = (720 / 742) • 0,6 • 0,8 = 0,46.
Omeem\ коэффициент мощности плазмотрона х = 0,46.
Пример 2. Ртутная дуговая лампа имеет мощность N = 125 Вт.
Определить число фотонов, испускаемых в единицу времени (t = 1 с)
в излучении длиной волны X = 612 нм. Интенсивность линий составляет
2 % интенсивности дуги, 80 % мощности дуги идет на излучение.
Решение. Количество квантов
И = IE / Eq,
где I - ток, А; Е - энергия излучения ртутной дуги;
Е = ПМ = О, 8-125-1 = 100;
Ео - энергия одного кванта;
Ео = Av = Ас/Х = 6,62-10“34-3-108/612-10“9 =0,003-Ю’16.
Получаем
п = 0,02 • 100 / 0,003 • 10’6 = 6,2 • 1018.
Ответ', число фотонов п = 6,2-1018.
Задачи
1.	Определить полное падение напряжения U между электродами
при электродуговом разряде, если известно: мощность, выделяющаяся
на аноде, С/ = 2 138 Вт, на катоде - QK = 1 260 Вт; ток дуги /д = 50 А; ра-
бота выхода электрона ф = 4,77 эВ; длина дуги Д, = 0,15 м; напряжен-
ность электрического поля Е = 10 В/см.
2.	Определить номинальную мощность печи сопротивления Рп,
если известно, что температура нагревателя Тн = 1 200 К, температура
119
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
изделия Гизд = 980 К, коэффициент лучеиспускания Сл = 0,4, площадь по-
верхности нагревателя FH = 2 м1 2 3 4 5, коэффициент эффективности СЭф = 0,8.
3.	Рассчитать коэффициент запаса напряжения управляемого вы-
прямителя К3, а также индуктивность сглаживающего дросселя в цепи
дуги L и мощность плазмотрона, если известны следующие данные: на-
пряжение холостого хода Uq = 7 200 В, коэффициент фазности управ-
ляемого выпрямителя т = 0,3, номинальный ток плазмотрона I = 30 А,
активное сопротивление R = 200 Ом, внутреннее сопротивление источ-
ника 7?вн = 30 Ом.
4.	Определить КПД трехфазного трансформатора, питающего
плазмотрон мощностью 7 000 кВ • А. Потери холостого хода соста-
вили Рхх = 2,25 кВт, короткого замыкания - РКз = 22,3 кВт. Коэффи-
циент мощности х = 0,8.
5.	Определить сечение проволочного нагревателя предваритель-
ного нагрева газа, учитывая, что нагреватели соединены по схеме
«звезда», фазное напряжение U = 35 В. Удельная поверхностная мощ-
ность нагревателя W = 0,1 Вт/см2, размеры нагревателя: а = 2,2 м,
b = 1,2 м. Удельное сопротивление материала при рабочей температуре
р = 0,46-10“6 =0м-м.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое фотоионизация?
2. Какие вы знаете ионизирующие добавки для вольфрама?
3. Каковы пути отвода энергии?
4. Из каких материалов изготавливают тугоплавкие электроды?
5. Что применяют для облегчения зажигания и непрерывного го-
рения дуги?
6. Какие существуют способы зажигания дуги?
120
Глава 6. ДУГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕЧИ
6.1.	Классификация дуговых электрических печей
Дуговые электрические печи нашли широкое применение в метал-
лургической, химической, машиностроительной и других отраслях про-
мышленности. К ним относятся:
дуговые печи косвенного действия. В таких печах электрическая
дуга горит между электродами, расположенными над расплавленным
металлом, и теплообмен между дугой и материалом осуществляется как
за счет излучения, так и за счет конвекции;
дуговые печи прямого действия. В этом случае электрическая дуга
горит между электродами и нагреваемым материалом. Его нагрев осуще-
ствляется при выделении энергии в дуге, протекании тока через расплав,
а также за счет излучения плазмы дуги, конвекции и теплопроводности;
дуговые печи сопротивления. В этом типе печей дуга горит под
слоем электропроводной шихты - теплота выделяется в дуговом разря-
де и при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах.
Передача теплоты в объем печи происходит за счет теплопроводности,
излучения и частично за счет конвекции;
вакуумные дуговые печи. В данном случае электрическая дуга горит
в инертном газе или парах переплавляемого металла между расходуемым
электродом (из переплавляемого металла) и ванной жидкого металла или
между нерасходуемым электродом и ванной переплавляемого металла;
плазменно-дуговые плавильные установки в последнее время широко
внедряются в производство. В них нагрев металла происходит электриче-
ской дугой вместе со струей плазмы инертного газа, что позволяет обес-
печить чистоту переплавляемого металла, увеличить производительность
и экономичность печи данной модификации [3, 7].
6.2.	Дуговые печи косвенного и прямого действия
6.2.1.	Дуговые печи косвенного действия
Назначением дуговой печи косвенного действия является переплав
цветных металлов и их сплавов, а также выплавка отдельных сортов чу-
гуна и никеля.
121
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 6.1. Схема дуговой печи косвенного действия
Основным преимуществом данных печей является небольшой угар
металла. Дуговая печь косвенного действия в однофазном варианте
(рис. 6.1) представляет собой горизонтально расположенную ванну, фу-
терованную внутри огнеупорным материалом 1. На ее боковых стенках
установлены электроды 2, оборудованные механизмами подачи. Металл
для переплавки 3 загружают в ванну через отверстие в боковой поверх-
ности корпуса 5. Затем на электроды подается напряжение, и они сво-
дятся до соприкосновения и возникновения тока в цепи и лишь затем
разводятся, что и приводит к возникновению электрической дуги 4.
В результате поглощения энергии, выделяемой дугой, осуществляется
нагрев и расплавление металла. После этого печь наклоняют и сливают
готовый расплав металла. Изменение мощности печи осуществляют
с помощью источника питания путем изменения тока дуги, а также ее
длины при сближении или удалении электродов установки.
Электрооборудованием дуговых печей косвенного действия являют-
ся печной трансформатор, регулировочный реактор и электропривод ме-
ханизма подачи электродов.
Электрический ток подводится к электродам при помощи гибких
кабелей от печной трансформаторной подстанции. Изменение расстоя-
ния между электродами осуществляют при помощи дистанционного
электропривода или автоматического регулятора режима.
Электрические дуговые печи косвенного действия изготавливаются
емкостью 0,25 и 0,5 т. В них используют графитизированные электроды.
Они комплектуются силовыми трансформаторами мощностью 175-250
и 250-400 кВ-А.
122
Глава 6. Дуговые электрические печи
6.2.2.	Дуговые печи прямого действия
Дуговые печи прямого действия применяются на машинострои-
тельных и механических заводах для выплавки стали в слитки, а также
для фасонного литья.
На рис. 6.2 приведена схема дуговой сталеплавильной печи (ДСП).
Она состоит из металлического кожуха 1, имеющего цилиндрическую или
ступенчатую форму. Внутри выполнена огнеупорная футеровка 2. Футе-
рованный кожух печи закрывает свод 3, через который пропущены элек-
троды 4. Для первоначального зажигания дуги электроды опускаются до
соприкосновения с расплавляемым металлом, а затем немного поднима-
ются до возникновения дуги 6. Во время плавки электроды перемещают
механизмами подъема 5. Конструкция печи имеет загрузочные окна
и сливное отверстие. Печь иногда загружают сверху при снятом своде.
Слив металла производят наклоном печи.
С целью выравнивания химического состава и температуры рас-
плавляемого металла в печах большой емкости предусматривают элек-
тромагнитные перемешиватели.
Дуговая электропечь имеет механизмы наклона для слива металла,
подъема и отворота свода, перемещения электродов. Эти механизмы
могут иметь электромеханический или гидравлический привод. Элек-
трический ток подводится к электрододержателю пакетом медных шин
или водоохлаждаемых труб из меди.
Рис. 6.2. Схема дуговой сталеплавильной печи
123
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
На рис. 6.3 показана схема промышленной дуговой сталеплавиль-
ной печи ДСП-200 МО 1.
Технологический процесс выплавки электростали в дуговой печи
включает следующие операции: расплавление скрапа, удаление из него
вредных примесей и газов, раскисление металла, введение легирующих
компонентов, рафинирование, выливание металла в ковш для после-
дующей разливки по формам.
В результате горения дуги скрап расплавляется, и жидкий металл
стекает в подину. В шихте образуются колодцы, в которые опускаются
электроды на глубину до соприкосновения с поверхностью жидкого ме-
талла на подине печи.
Постепенное расплавление скрапа и шихты приводит к повыше-
нию уровня расплавленного металла, и во избежание возникновения ко-
роткого замыкания электроды поднимают. Период расплавления метал-
ла характеризуется неспокойным режимом горения дуги. Горящая меж-
ду концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина
меняется в широких пределах при обвалах и перемещениях скрапа (от
короткого замыкания до обрыва дуги). Период расплавления скрапа ча-
ще всего занимает более половины времени всего процесса, забирая при
этом до 80 % всей электроэнергии, и считается завершенным, когда весь
металл в ванне перешел в жидкое состояние.
Удаление вредных примесей из расплавляемого металла осуще-
ствляют следующим образом. В начале процесса при низкой темпера-
туре ванны интенсивно идут эндотермические реакции окисления же-
леза, кремния, марганца и фосфора. На этом этапе оксиды всплывают
на поверхность расплава и образуют вместе с вводимой известью слой
шлака, в состав которого входят легкоионизирующиеся (по сравнению
с расплавленным металлом) компоненты, поэтому дуга здесь горит бо-
лее устойчиво. На поверхности шлака оксиды кремния соединяются
с закисью железа и марганца, в результате чего образуется соответст-
вующие силикаты. Для оптимизации этих процессов в ванну добавля-
ют железную руду или вдувают кислород. При этой операции углерод
металла восстанавливает руду. Оксид углерода, образующийся в ре-
зультате этого приема пузырьками, всплывает на поверхности ванны.
Весьма ответственным моментом процесса является рафинирование
металла.
При завершении процесса плавки для окончательной корректи-
ровки химического состава расплава в него вводят легирующие добавки
и затем разливают.
124
Рис. 6.3. Дуговая сталеплавильная печь ДСП-200 MOI: 1 — рабочее окно; 2 — механизм перемещения электрода;
3 — колонна электрододержателя; 4 - сливной носок; 5 - фундаментная балка; 6 — кожух; 7 - свод; 8 — электрод;
9 - кабельная гирлянда; 10 - механизм подъема свода; 11 - люлька; 12 - привод наклона
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 6.4. График мощности (а) и напряжения (б) дуговой сталеплавильной
печи при выплавке с полным раскислением
Процесс плавки в крупных печах длится до 6 часов, при этом
1,5-2,5 ч идет расплавление и 2-4 ч - окисление и рафинирование ме-
талла. Режимы работы печи зависят от вида скрапа, шихты, состава фу-
теровки и применяемых легирующих элементов. Поэтому к конструк-
ции дуговой печи, ее вспомогательным элементам, схеме электроснаб-
жения предъявляют следующие весьма жесткие требования:
1)	потенциальная возможность гибкого регулирования мощностью:
в начальный период для ускорения процесса расплавления необходима
максимальная мощность, в другие же периоды нужно изменять мощность
лишь для регулирования температурами металла и шлака (рис. 6.4);
2)	возможность поддержания в печи восстановительной атмосферы;
3)	оперативная защита электрооборудования печи от возникающих
коротких замыканий и частых обрывов дуги в течение всего периода
плавки;
4)	возможность ограничивать токи короткого замыкания и выдер-
живать все электрические режимы технологического процесса. Откло-
нение от нормального режима, как правило, происходит по фазам. По-
этому каждый электрод печи оснащается механизмами подъема
и опускания с автоматическим управлением.
Дуговые сталеплавильные печи имеют трехфазную схему питания
и подину из непроводящего материала. Ванна с металлом в такой печи
126
Глава 6. Дуговые электрические печи
образует естественную нулевую точку трехфазной цепи. Поэтому печь ра-
ботает по трехпроводной системе трехфазного тока без нулевого провода.
Электроды в дуговых печах обеспечивают ввод электроэнергии
в ванну для расплавления шихты и корректировки состава плавки. Как
было сказано выше, электроды бывают расходуемые и нерасходуемые.
Требования, предъявляемые к ним, - это определенная механическая
и жаропрочность и малое активное сопротивление. В таких печах при-
меняются непрерывно наращиваемые графитизированные электроды
(изготовляют из искусственного электрографита) круглого сечения
с обработанными торцами, которые по оси имеют отверстия с резьбой,
куда ввинчивают очередные секции электродов.
Электроды изготовляют длиной от 1 000 до 1 800 мм в зависимо-
сти от их диаметра. По мере обгорания их опускают вниз с помощью
специальных механизмов.
Графитизированные электроды дороже угольных, однако их глав-
ное достоинство - малое удельное сопротивление.
В редких случаях применяют графитоугольные электроды диамет-
ром от 100 до 1 200 мм, которые изготовляют из антрацита, термоантра-
цита, нефтяного кокса, каменноугольного пека и смолы в специальных
печах путем обжига заготовок при температуре до 1 600 К без доступа
кислорода.
Таблица 6.1
Основные электрические характеристики ряда ДСП
Тип печи	Номинальная мощность трансформа- тора, кВ А	Напряжение первичной обмотки трансформа- тора Ui, кВ	Пределы изменения вторичного напряже- ния At/, В	Ток вторич- ной обмотки трансформа- тора 12, кА	Удельный расход элек- троэнергии со, кВт-ч/т
ДС-0,5	400	6,10	213-110	1,085	650
ДСП-1,5	1 000	6,10	225-118	2,57	550
ДСП-3	1 800	6,10	242-122,5	2,25	525
ДСП-6	2 800	6,10	257-197,5	6,3	—
ДСП-12	5 000	6,10	278-202	10,4	500
ДСП-20	9 000	6,10	318-116	16,35	470
ДСП-25	1 6000	35	384-148	24-10	—
ДСП-40	15 000	35	386-126	23,5	—
ДСП-50	20 000-29 150	35	486-152	27,7-34,6	460-440
ДСП-80А	32 000	35	478-161	38,8	420
ДСП-100	45 000	35	591,5-164,1	43,9	—
ДСП-200	45 000	35	—	—	400
127
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
В настоящее время эксплуатируются дуговые электрические печи
для выплавки стали емкостью до 200 т. Они питаются от трансформато-
ров мощностью до 80 МВ • А. В перспективе должны быть созданы печи
емкостью 300—400 т. Основные электрические характеристики ряда
ДСП приведены в табл. 6.1. При повышении мощности печи сущест-
венно снижается удельный расход электроэнергии на выплавку 1 т ме-
талла. Эта зависимость стала главным условием для проектирования
печей с большей мощностью.
6.2.3.	Электрическая часть дуговых печей
косвенного и прямого действия
Электродуговая печь представляет собой мощный энергопотреби-
тель, относящийся ко второй категории по надежности электроснабже-
ния. Электрооборудование и схемы электроснабжения ДСП имеют ряд
особенностей.
Основное электрооборудование дуговых печных установок (рис. 6.5)
включает: печь с электродами и ванной, в которой горят дуги и нахо-
дится перерабатываемый материал; отдельный для каждой печи пони-
зительный трансформатор, вместе с которым часто размещены дроссе-
ли; короткую сеть, соединяющую вторичные выводы трансформатора
с электродами печи; коммутационную, измерительную и защитную ап-
паратуру.
Рис. 6.5. Схема электропечной установки: 1,6 — выключатели; 2 - высоко-
вольтные шины; 3 - разъединитель; 4 - высоковольтная сеть; 5 - реактор;
7 - печной трансформатор; 8 - короткая сеть; 9 - электроды; 10 — электроду-
говая печь
128
Глава 6. Дуговые электрические печи
Рис. 6.6. Схема электрических соединений дуговой печной установки:
1 - высоковольтные шины; 2 — разъединитель: 3 - выключатели; 4 - реак-
тор; 5 - печной трансформатор; 6 - измерительные трансформаторы; 7 - ко-
роткая сеть; 8 - автоматический регулятор мощности; 9 — приборы контроля;
А — амперметр; V-вольтметр; W- ваттметр; Wh - счетчик; Y/A - соедине-
ние обмоток трансформатора
В печных установках применяются трансформаторы и дроссели,
изготовленные в виде отдельных аппаратов, а также трансформаторы со
встроенными дросселями.
В дуговых печных установках различают главную и вспомога-
тельные цепи тока (рис. 6.6). К главной цепи электрического тока отно-
129
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
сится основное силовое электрооборудование и электрические дуги пе-
чи. Вспомогательными считаются цепи управления, измерения, защиты,
автоматики и др.
Главная цепь включает первичную и вторичную обмотки цепи си-
лового трансформатора. Первичная цепь состоит из последовательно
соединенных аппаратов высокого напряжения, дросселя и первичной
обмотки индивидуального печного трансформатора. Вторичная цепь со-
стоит из последовательно соединенных вторичной обмотки трансфор-
матора, токопроводов короткой сети, электродов и электрических дуг.
Все части цепи располагаются вне печи и называются подводящей
электрической сетью.
Подключение питающей линии высокого напряжения от ввода
осуществляется через разъединители и выключатели высокого напря-
жения, установленные вместе с защитными аппаратами в распредели-
тельном устройстве электропечной установки.
Питание печной трансформаторной подстанции осуществляется от
сети 10-35 кВ, а для мощных подстанций - от сети ПО кВ. Присоеди-
нение измерительных и защитных приборов на высокой стороне произ-
водится через трансформаторы тока и напряжения.
Оптимальный режим печи поддерживается с помощью автомати-
ческих регуляторов мощности. Они подают команду на механизмы пе-
редвижения электродов, изменяя тем самым длину дуги, и устанавли-
вают заданную мощность дуговой печи. Для комплексного управления
всем технологическим процессом в настоящее время пользуются авто-
матизированными системами управления (АСУ).
Печные трансформаторы обеспечивают питание электродуговых
печей. Для печей небольшой и средней мощности трансформаторы вы-
пускают трехфазными. Для печей же большой мощности применяют
электрическую схему из однофазных трансформаторов. Они позволяют
повысить коэффициент мощности благодаря более рациональной кон-
струкции короткой сети и возможности регулировать мощность и на-
пряжение отдельно на каждой фазе.
Трансформаторы ДСП имеют ряд особенностей:
•	допускают высокие номинальные токи на низкой стороне (до
десятков и сотен килоампер);
•	имеют большой коэффициент трансформации (от 6-110 кВ до
нескольких сотен вольт);
•	имеют большое число ступеней напряжения и диапазон его регу-
лирования примерно на 500 % при числе ступеней более 40;
130
Глава 6. Дуговые электрические печи
•	характеризуются высокой стойкостью против коротких замыка-
ний и высокой конструктивной прочностью.
Силовые печные трансформаторы оборудованы устройствами
принудительного охлаждения с искусственной циркуляцией масла. Они
снабжены регуляторами напряжения под нагрузкой.
Обмотки трехфазных трансформаторов соединяют по схеме «тре-
угольник - треугольник» с возможностью последующего переключения
на схему «треугольник - звезда», что позволяет регулировать уровень
вторичного напряжения.
Переключение ступеней напряжения ДСП малой и средней мощно-
сти производят при снятой нагрузке, для чего переключатель снабжают
блокировкой с главным высоковольтным выключателем. В трансформа-
торах же большой мощности переключение можно производить под на-
грузкой специальным переключателем. Трансформаторный блок вклю-
чает регулирующий автотрансформатор с обмотками грубой и тонкой
регулировки и главный трансформатор с первичной и вторичной обмот-
ками. На первичную обмотку силового трансформатора напряжение се-
ти на первой ступени подается полное, а на остальных — его определен-
ная доля, которая зависит от положения контактов избирательного пе-
реключателя.
Высоковольтные разъединители в схемах дуговых печных устано-
вок предназначены для создания видимого разрыва силовой цепи элек-
тропечи. Работа с разъединителем производится только при снятом вы-
соком напряжении.
Выключатели высокого напряжения совместно с аппаратурой за-
щиты предохраняют печь от токов короткого замыкания и осуществля-
ют оперативное отключение и выключение печи. В настоящее время
при напряжениях 10, ЗбиНОкВ применяются элегазовые и вакуумные
выключатели.
Электрической схемой ДСП предусмотрено и аварийное отключе-
ние печного трансформатора, которое срабатывает при недопустимых
токах в его первичной обмотке, а также при поступлении сигнала от га-
зовой защиты трансформатора или переключателя напряжения.
Дроссель, или реактор, применяемый в схеме, предназначен для
ограничения бросков тока при коротких замыканиях и стабилизации го-
рения дуг за счет создания падающей характеристики цепи питания.
У непрерывно работающих ДСП режим работы дросселя прерывистый.
Он работает в тяжелых условиях, поэтому должен отвечать высоким
требованиям термической и механической прочности.
131
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 6.7. Варианты схем соединения вторичных токопроводов ДСП
Дроссель включают между сетью и линейными контактами об-
мотки высокого напряжения трансформатора или в «фазу» - последова-
тельно с данной обмоткой.
Для передачи электрической энергии от вторичной обмотки
трансформатора в рабочее пространство ванны служит короткая сеть
дуговых печей. Активное и индуктивное сопротивления являются со-
ставными частями общего сопротивления участков печной установки.
Они оказывают важное влияние на такие энергетические показатели,
как мощность, коэффициент мощности, энергетический КПД и др.
Короткая сеть представляет собой токопровод от вторичных обмо-
ток трансформатора до электродов дуговой печи. По этой сети проте-
кают очень большие токи (до 100 кА и выше), поэтому токопроводы ко-
роткой сети изготавливают большого сечения в виде пакетов медных
лент, медных шин или труб с водяным охлаждением.
Короткая сеть должна иметь минимальную длину и рациональное
расположение проводников как для снижения индуктивности, так и для
равномерной загрузки фаз и трансформатора (рис. 6.7).
Короткая сеть имеет четыре основных участка: шинные пакеты,
служащие для передачи напряжения от выходов низкого напряжения
печного трансформатора до неподвижных башмаков; гибкую часть
(участок гибких кабелей); трубошины (от подвижных башмаков до го-
ловок электрододержателя); электроды.
В электрической схеме ДСП необходимо предусматривать эле-
менты защиты от токов перегрузки и аварийного короткого замыкания.
Защиту от перегрузок обычно включают на стороне низкого напряже-
ния с помощью максимальных токовых реле с зависимой выдержкой
времени. Защита от токов аварийного короткого замыкания осуществ-
ляется с помощью максимальных токовых реле мгновенного действия
на стороне высокого напряжения.
132
Глава 6. Дуговые электрические печи
6.2.4.	Электрические характеристики дуговых печей
косвенного и прямого действия
Дуговая электропечь работает, как правило, в круглосуточном режи-
ме с остановками на ремонт и профилактический осмотр. Технологический
процесс предполагает периодическое чередование плавок с отключением
печи для слива металла, последующей заправки и загрузки компонентов.
Большая мощность печных агрегатов предусматривает и большое потреб-
ление электрической энергии, поэтому перед службой главного энергетика
промышленного предприятия и технологами стоят задачи выбора опти-
мального режима работы печи, позволяющего обеспечить как высокую
производительность печи, так и минимальный расход электроэнергии.
Поскольку оптимальные значения этих показателей часто не сов-
падают, установление рациональных условий работы дуговой печи ос-
новывается на анализе энергетических характеристик. Электрические
режимы работы ДСП характеризуются расчетными величинами токов,
напряжений, сопротивлений и мощностей (рис. 6.8). При изменениях
длин дуг и их сопротивлений происходят изменения напряжения, при-
чем эти изменения колеблются от нуля (короткое замыкание) до макси-
мума при обрыве дуги.
Рис. 6.8. Схема замещения ДСП: а — полная схема замещения; б — короткая
сеть; Гр, х'р — приведенные сопротивления реактора; гт', х'т — приведенные со-
противления первичной обмотки трансформатора; гт2, хт2 — активное и ин-
дуктивное сопротивления вторичной обмотки трансформатора; гк с, хк с - ак-
тивное и индуктивное сопротивление короткой сети; - фазное напряже-
ние сети; Ra - сопротивление электрической дуги; Ua - напряжение на дуге;
х — индуктивное сопротивление; г — активное сопротивление
133
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
В зависимости от силы тока в цепи электроплавильной установки
различают следующие режимы работы:
а)	режим холостого хода (дуги не горят, I = 0);
б)	нормальный режим (I = 7Н);
в)	режим эксплуатационного короткого замыкания (I = 1КЗ).
По цикличности и времени нагрузки печи различают непрерывный
режим и режим с нагрузкой, меняющейся в течение плавки. Производи-
тельность ДСП и расход электроэнергии зависят от мощности дуг, по-
терь электроэнергии и связаны с рабочим током установки.
Более цельную картину изменения энергетических показателей
установки с изменением режима работы печи можно получить при ана-
лизе рабочих, тепловых и электрических характеристик, таких как: пол-
ная активная мощность установки; мощность дуги; электрические и те-
пловые потери; электрический КПД; коэффициент мощности; расход
электроэнергии на плавку; производительность; время плавки.
Первые теоретические расчеты параметров дуговых плавильных пе-
чей производят на основании их схем замещения. В расчетах электриче-
ские элементы цепи заменены активными и индуктивными сопротивле-
ниями, взятыми такими, что при одинаковых напряжениях потребляемые
токи и мощности схемы замещения и реальной цепи равны. В схемах за-
мещения электрические дуги заменяют активными сопротивлениями.
Короткая сеть и электроды в схеме замещения представлены ак-
тивным г и индуктивным х сопротивлениями. Печной трансформатор
заменяют совокупностью активных и индуктивных сопротивлений. На
рис. 6.8 представлена полная схема замещения ДСП и ее короткая сеть.
Рабочие параметры ДСП находят опытным путем при рабочей на-
грузке печи, аналитическим расчетом с использованием известных ме-
тодик и графически - по круговым диаграммам [3, 8].
Электрические параметры ДСП и ее технологические показатели
представлены на рис. 6.9, из которого следует, что потери в сети увели-
чиваются пропорционально квадрату тока, а с ростом тока снижается
электрический КПД печи и коэффициент мощности. Мощность дуги Рд
и полная активная мощность ДСП Ра увеличиваются до максимума и за-
тем резко падают. Удельный расход электроэнергии N имеет минимум
при токе Г. Это же значение тока соответствует максимуму полного
КПД печи. Ток Г определяет режим наименьшего удельного расхода
электроэнергии. Ток Г показывает максимальную мощность дуг и наи-
меньшее время расплавления t. Он же позволяет найти режим макси-
мальной производительности.
134
Глава 6. Дуговые электрические печи
Рис. 6.9. Электрические и рабочие характеристики ДСП: g - производитель-
ность печи; т|э - электрический КПД; N — удельный расход электроэнергии;
t - время расплавления; Ра - полная активная мощность ДСП; Рд - мощность
дуги; cos (р - коэффициент мощности; Ua — напряжение на дуге; т)д — КПД
дуги; Рт п, Рэ п - тепловые и электрические потери; /д - ток дуги; / - вели-
чина тока при оптимальном режиме работы; /н — нормальный режим работы;
/пр — предельное значение рабочего тока; /кз — ток короткого замыкания
Электрические и рабочие характеристики ДСП дают возможность
проанализировать ее работу и определить оптимальный режим эксплуа-
тации применяемого электрооборудования [3, 7].
6.2.5.	Электромагнитное перемешивание стали в дуговых печах
При расплавлении большей части шихты эффективным средством
ускорения процесса плавки является перемешивание металла в ванне.
Оно выравнивает химический состав, ускоряет удаление газов и выведе-
ние вредных примесей из расплава. Жидкий металл в ДСП приводится
в движение с помощью электромагнитных устройств переменного тока
с вращающимся магнитным полем.
135
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Глубина расплава в печах некоторых типов
Таблица 6.2
Марка печи	Диаметр зеркала, м	Глубина расплава, м	Марка печи	Диаметр зеркала, м	Глубина расплава, м
ДСП-5 МТ	2,4	0,33	ДСП-50	5,05	0,995
ДСП-12	3,4	0,555	ДСП-100	5,16	1,08
ДСП-12	4,0	0,775	ДСП-200	6,96	1,48
Характеристики статоров
Таблица 6.3
Параметры статора	Емкость печи, т			
	25	50	100	200
Тип статора	СЭП1-25	СЭШ-50	СЭП1-100	СЭП1-200
Номинальная частота, Гц	0,9	0,65	0,5	0,4
Мощность фазы, кВ • А	575	550	860	525
Сила тока, кА	2,5	2,4	2,4	2,0
Напряжение фазы, В	115	115	180	130
Коэффициент мощности	0,5	0,59	0,58	0,6
Электромагнитные перемешиватели изготавливают в виде цилин-
дрических или плоских конструкций: одни охватывают боковую по-
верхность расплава, другие располагают под донной частью ванны. При
расположении перемешивателя под дном ванны в зависимости от при-
меняемой частоты тока, конструкции статора и направления движения
магнитного поля используют разные схемы движения расплава, наибо-
лее эффективные для разных периодов плавки. Скорость движения и на-
правление расплава зависит от тока индуктора и составляет 0,2-1 м/с.
Магнитное перемешивание возможно только при низких частотах питаю-
щего тока и зависит от глубины ванны расплава. Глубина расплава в печах
некоторых типов приведена в табл. 6.2. При указанных параметрах жид-
кой ванны ее эффективное перемешивание будет при частотах 0,4-1,0 Гц.
Электромагнитные перемешиватели состоят из трех элементов:
индуктора, источника питания и системы охлаждения. Характеристики
статоров представлены в табл. 6.3.
Источниками питания статоров являются электромагнитные пре-
образователи (ЭМП) и тиристорные преобразователи частоты. Охлаж-
дение статора возможно водой, если он изготовлен из медной трубки,
136
Глава 6. Дуговые электрические печи
или воздухом, по специальным каналам внутри обмотки. Стоимость уста-
новки ЭМП составляет от 30 до 100 % стоимости печи, а расход энергии
в ней на 1 т произведенной стали — 3—5 % от полного расхода энергии.
Автоматизация управления электрическим режимом ДСП за-
ключается в следующем:
1)	поддержание электрической мощности печи на технологиче-
ском уровне;
2)	регулирование уровня напряжения силового трансформатора;
3)	своевременное устранение всех отклонений от заданного режи-
ма работы.
Перечисленные требования решаются с помощью автоматических ре-
гуляторов мощности, укомплектованных программно-управляющими уст-
ройствами. Эти системы обеспечивают минимальную длительность плавки,
оптимальное напряжение для обеспечения минимального расхода электро-
энергии на выплавку 1 т металла, рациональное распределение энергии
между фазами - электродами печи, управление компенсацией реактивной
энергии, поддержание температуры и химического состава металла в за-
данных пределах. Регуляторы снабжаются датчиками контрольных вели-
чин, исполнительными аппаратами и приводами. В настоящее время с це-
лью автоматизации ДСП создаются АСУ цехов дуговых печей и предпри-
ятия в целом, обеспечивающие оптимальный режим производства [18,22].
6.2.6.	Электроснабжение дуговых печей
косвенного и прямого действия
Сталеплавильные установки как потребители электрической энер-
гии относятся ко второй категории по надежности электроснабжения.
Они характеризуются высокой единичной мощностью (0,4-80 МВ-А)
и имеют коэффициент мощности от 0,70 до 0,85, круглосуточный рез-
копеременный циклический режим работы.
Рабочий орган ДСП - электрическая дуга представляет собой нели-
нейное активное сопротивление, ее параметры в значительной степени за-
висят от условий горения. Мощность дуги регулируется индуктивными
элементами питающей сети, а также изменением подводимого напряже-
ния и длины дуги. В начальный период печь работает с максимальной на-
грузкой и расходует от 50 до 80 % всей потребляемой энергии на полный
цикл. Мгновенная мощность изменяется в диапазоне среднего значения,
определяемого автоматическим регулятором. Колебания реактивной
137
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
мощности достигают 200 % со скоростью до 500 Мвар/с и существенно
превышают колебания активной мощности. В это время происходят час-
тые технологические короткие замыкания вследствие замыкания электро-
дов шихтой или жидким металлом. В процессе работы печи наблюдаются
броски тока разной амплитуды и продолжительности, вызывающие неси-
нусоидальность высшие гармоники случайного характера.
Рабочие графики печи отражают большую неравномерность потреб-
ляемой мощности печи ввиду ее частых отключений. Кроме этого наблю-
дается статическая и динамическая асимметрия нагрузки фаз, достигаю-
щая до 10 % колебания токов, которые вызывают колебания напряжения
в питающей сети, существенно ухудшающие работу других потребителей.
С целью снижения вредного влияния ДСП на работу электрической сети
проводят обязательные организационно-технические мероприятия техно-
логического и электроэнергетического характера: автоматическое регули-
рование тока и компенсацию реактивной мощности, уменьшение колеба-
ния напряжения по фазам, фильтрацию высших гармоник.
Технологические мероприятия предусматривают: сортировку
и подготовку скрапа, его равномерную загрузку; использование качест-
венных электродов; использование вместе со скрапом обогащенной
и частично восстановленной железной руды в виде окатышей и др.
В питающей сети в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-67
(качество электроэнергии) должны быть предусмотрены следующие
меры: применение повышенного напряжения 110-220 кВ; применение
глубоких вводов ЛЭП на территорию промышленных предприятий;
подключение печи в точке с большой мощностью короткого замыка-
ния. Применяемые схемные решения для питания отдельных печей
и цехов должны предусматривать связь с другими потребителями толь-
ко на напряжении 110-220 кВ схемы электроснабжения предприятия.
6.3.	Дуговые печи сопротивления: рудно-термические печи
Электрические рудно-термические печи (РТП) являются главными
технологическими установками в металлургии и химической промыш-
ленности. Они имеют очень высокую единичную мощность и относятся
ко второй категории по надежности электроснабжения. Нагрев перера-
батываемых материалов в РТП производится за счет тепла, выделяюще-
гося при протекании электрического тока по электродам, шихте, элек-
трической дуге и расплавленному материалу.
138
Глава 6. Дуговые электрические печи
Список продуктов, получаемых в РТП, очень широк: они могут
выпускаться из печи в виде пара или газа, жидкости-расплава, твердого
тела. Такие печи применяются в черной металлургии для получения
различных ферросплавов - сплавов железа с кремнием, марганцем,
хромом, вольфрамом и др.
Исходным сырьем для получения ферросплавов являются руды
или концентраты. При производстве основных сплавов: ферросилиция,
ферромарганца и феррохрома - используют руду с большим содержа-
нием металла.
При производстве ферровольфрама, ферромолибдена, феррована-
дия, ферротитана применяемую руду, из-за малого содержания в ней
полезного компонента, сначала обогащают и лишь полученный концен-
трат с высоким содержанием оксидов основного элемента берут для
дальнейшей переработки.
Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствую-
щих металлов, используя восстановители - углерод, кремний и алюми-
ний. Технологический процесс восстановления углеродом требует боль-
шой тепловой энергии.
Для производства ферросилиция кремний восстанавливают с по-
мощью твердого углерода:
SiO2 + 2С = Si + 2СО -> 635 096 Дж.
При избытке восстановителя в отдельных частях печи образуется
карбид кремния:
SiO2 + ЗС = SiC + 2СО,
который в дальнейшем под действием SiO2 разрушается:
2SiC + SiO2 = 3Si + 2СО.
В результате реакции железа и кремния получается ферросилиций:
Si + Fe = FeSi.
Готовый сплав выпускают до 15 раз в сутки в ковши и затем раз-
ливают в слитки.
При получении ферромарганца сырьем являются марганцевые ру-
ды, содержащие МпО2, Мп20з и МП3О4, коксик и стальная стружка.
В завершающей стадии процесс идет по следующей реакции:
139
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
МпО + С = Мп + СО 288 200 Дж,
совместно с реакцией
ЗМпО + 6С = ЗМпС + ЗСО 780 800 Дж
и далее
Мп + Fe = FeMn.
Технологический шлак и готовый металл выпускают из печи через
1-1,5 ч. При выплавке 1 т углеродистого ферромарганца расходуется
2 600- 2 700 кВт • ч электроэнергии.
При производстве феррохрома используются хромитовые руды,
содержащие 62 % CrO2, FeO, MgO, А12О3, SiO2 и коксик.
В качестве примера приведем один из вариантов процесса, кото-
рый протекает по следующей реакции:
|сг2О3 + С = |сг + СО 270 100 Дж,
-Сг2О3 + -С = —Сг7С3 + СО -> 250 200 Дж.
3	7	21
Восстановленное железо с хромом и шлак выпускают из печи
3 раза в смену в специальный ковш, где происходит их разделение, после
чего феррохром разливают в слитки. На 1 т феррохрома расходуется
3 500—3 600 кВт-ч электроэнергии. Полученные слитки ферросплавов
добавляют в ДСП при выплавке качественных сталей и сплавов.
Рудно-термические печи применяются и в цветной металлургии:
в них производится плавка медных концентратов, восстановительная
плавка закиси никеля. В качестве восстановителей в данной технологии
используются древесный уголь, кокс или каменноугольный коксик. Хи-
мический процесс идет по следующим реакциям:
NiO + СО = Ni + СО2;
СО2 + С = 2СО;
NiO + C=Ni + CO.
Образующийся при этом карбид никеля Ni3C выводится по реакции
Ni3C + NiO = 4Ni + СО.
140
Глава 6. Дуговые электрические печи
Технологический процесс плавки предусматривает периодичность
продолжительностью 5—7 ч. На получение 1 т никеля расходуется
1 100—1 200 кВт-ч электроэнергии, 16—18 кг электродов.
В химических производствах РТП используются при получении
фосфора, карбида кальция, огнеупоров и др.
Получение фосфора идет по следующей реакции:
Са3Р2О8 + 5С + 3SiO2 -> 3CaSiO3 + 5СО + Р2.
На этот процесс расходуется до 40 % энергии, потребляемой печью.
Исходным сырьем для фосфорного производства являются фосфоритовые
руды, до 90 % полученного фосфора расходуется на производство фосфор-
ной кислоты. А она, в свою очередь, служит сырьем для производства кор-
мовых и пищевых фосфатов, моющих средств и другой продукции.
Получение карбида кальция для его дальнейшего применения в ли-
тейном производстве, а также в получении ацетилена, используемого
в производстве синтетического каучука, пластмасс, химического волокна,
основано на реакции
СаО + ЗС СаС2 + СО.
Для производства карбида кальция в качестве сырья применяют
известь и кокс или антрацит. Для получения 1 т карбида кальция необ-
ходимо затратить от 2 500 до 4 000 кВт • ч электроэнергии. Получаемые
в РТП абразивные материалы: электрокорунд с удельным расходом
энергии 2 500-2 900 кВт • ч/т, электрокорунд белый с удельным расхо-
дом энергии до 1 620 кВт * ч/т и другие сорта электрокорундов - приме-
няются для изготовления абразивного инструмента и порошков.
Рудно-термические печи применяют для получения электроплав-
леных огнеупоров, используемых для футеровки стекловаренных печей,
металлургических агрегатов. Сырьем для огнеупоров являются глино-
зем, циркон и кварцевый песок.
Огнеупоры - корунд и бакор разных марок, полученные в печах
ОКБ-2130, ДС-0,5 при помощи плавки открытой дугой, имеют высокие
чистоту, плотность и другие показатели. Расход электроэнергии при их
получении на 1 т колеблется в пределах 1 800-2 300 кВт • ч.
Перечисленные основные наиболее энергоемкие производства ох-
ватывают лишь малую часть возможностей РТП, тогда как перечень
других процессов, осуществляемых в дуговых печах сопротивления,
намного шире и включает производство графита, сероуглерода и мно-
гих других веществ и материалов.
141
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Особенности работы РТП состоят в следующем.
1.	Удельное электрическое сопротивление шихты существенно
изменяется при повышении температуры. Так, в холодном состоянии
шихта является диэлектриком, в расплавленном представляет собой
ионный раствор, проводимость которого также зависит от температуры
и химического состава. Объем расплава и шихты, участвующих при
протекании тока, существенно меняется при изменении температуры
расплавленных компонентов. Это обуславливает возможность одновре-
менного существования проводников разного рода — нелинейного ак-
тивного сопротивления шихты и расплава и электрической дуги.
2.	Преобразование шихты осуществляется при температуре от
1 200 до 2 200 К. Это требует значительных удельных расходов элек-
троэнергии на выпуск единицы продукции и наличия мощного энерге-
тического хозяйства.
3.	Возможность непрерывного режима работы в течение времени
от одного года до двух лет.
4.	Спокойный электрический режим работы, в отличие от ДСП.
Конструкции РТП. Многообразие конструктивных исполнений
РТП вызвано разнообразием и сложностью химического состава пере-
рабатываемого сырья и большим ассортиментом производимой продук-
ции. В промышленности применяют пять основных типов (схем) печей
и технологий.
Тип 1 - РТП, предназначенные для получения ферросплавов, кар-
бида кальция (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Схема печи для бесшлакового
и малошлакового процесса
142
Глава 6. Дуговые электрические печи
1 2 3
Рис. 6.11. Схема печи для многошлакового процесса
В рабочей зоне трехфазной неподвижной печи находятся электро-
ды 1 с электрододержателями 2, погруженные в шихту 3. Дуги горят
с торцов электродов на расплав в газовой полости 5, образованной спе-
ченной шихтой 4. По мере оплавления стенок тигля увеличивается глу-
бина ванны 6 и происходит оседание шихты. Загрузка шихты осуществ-
ляется вокруг электродов, где образуются конические уплотнения 10,
предотвращающие прорыв газов. Стенки шахты печи 9 и ее подину 7
изготовляют из угольных блоков. Слив металла производят через летку
8 по мере накопления расплава.
Тип 2 - РТП, предназначенные для получения фосфора и продук-
ции, производство которых относится к многошлаковым процессам
(рис. 6.11). Для этих процессов наиболее эффективными являются печи
с неподвижными тремя или шестью электродами круглой или прямо-
угольной формы. Конструкция такой печи предусматривает выпуск че-
рез раздельные летки металла 6 и шлака 8. Ток проходит по электродам
1 через дуги 5, шлак 9 и расплав 7. Загрузку шихты 10 производят через
устройства 2 в своде 3, герметизирующем рабочую зону. Образующиеся
газы удаляются через вытяжку 4.
Тип 3 - РТП, предназначенные для рафинирования. Они отли-
чаются своей периодичностью работы: загрузка и слив при наклоне
печи.
Тип 4 - РТП, предназначенные для получения электрокорунда,
ферровольфрама. Ввиду высокой температуры расплава вылить его из
печи невозможно, так как он застывает на небольшой глубине. По мере
143
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
заполнения ванны ее откатывают, остужают, и блок извлекают для по-
следующей разделки.
Тип 5 - РТП, предназначенные для получения огнеупоров. Такие
процессы целесообразно вести открытой дугой с постепенной подсып-
кой шихты. С целью уменьшения науглероживания расплава нужно
строго выдерживать определенную длину дуги и применять специаль-
ные электроды. Слив расплава производят периодически по мере на-
полнения ванны.
Электрическая часть РТП. В рудно-термических установках
применяют электроды трех видов: угольные диаметром до 1 200—
1 400 мм, графитизированные диаметром до 800 мм и самоспекающие-
ся диаметром до 2 000 мм или прямоугольные размером 3 200x850 мм.
Самоспекающиеся электроды имеют круглый или прямоугольный
кожух из стали толщиной 1,5-5 мм, заполненный сверху пастообразной
электродной массой. При опускании в печь под действием тока и тепло-
ты печи электродная масса спекается и работает при плотности тока до
7,6 А/см2. По мере сгорания металлический кожух электрода наращи-
вают и заполняют специальной массой, обеспечивая тем самым непре-
рывную работу печи.
Удельное электрическое сопротивление самоспекающихся элек-
тродов выше данного показателя угольных электродов в 3 раза, графи-
тизированных электродов - в 5-10 раз. Сопротивление нагрузки РТП
значительно ниже, чем у ДСП, поэтому вторичное напряжение печных
трансформаторов ниже, а токи при тех же мощностях в 1,5-2 раза
больше, вследствие чего короткая сеть РТП более мощная и сложная.
В ней проводятся мероприятия по обеспечению симметричности за-
грузки фаз и уменьшения активного и индуктивного сопротивлений.
Короткая сеть рудно-термической печи РКЗ-48Ф показана на
рис. 6.12. Охлаждение трубчатых шин осуществляется водой, проте-
кающей внутри токоведущих труб. Монтаж короткой сети выполняет-
ся так, чтобы трубы с противоположным направлением тока распола-
гались как можно ближе между собой. Это существенно снижает ве-
личины реактивных сопротивлений и падений напряжений в короткой
сети.
Мощные РТП с прямоугольной ванной имеют шесть электродов,
расположенных в линию и питаются либо двумя трехфазными, либо
тремя однофазными трансформаторами. В этом случае каждый транс-
форматор питает два соседних электрода.
144
Глава 6. Дуговые электрические печи
Рис. 6.12. Схема короткой сети РТП: 1 — трансформатор; 2 — гибкие компен-
саторы; 3 - пакет трубчатых шин; 4 — неподвижный башмак; 5 - гибкие лен-
ты; 6 - подвижный башмак; 7 — электроды
Рис. 6.13. Схема замещения печи: а,Ъ,с- фазы; гд — сопротивление дуги; гаь,
гЬс, гж ~ межфазные сопротивления в ванне; ra, гь, гс - фазные сопротивления
между электродами и подиной печи
Электрические параметры РТП определяются имеющимися осо-
бенностями распределения тока в рабочей зоне печи и соответствующей
этому схемой электрического питания. Из-за сложности электромагнит-
ных взаимодействий между элементами составляют упрощенные схемы
замещения печей (рис. 6.13) и производят расчеты по известным мето-
дикам [3, 9].
145
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
6.4.	Вакуумные дуговые печи
Для получения металла высокого качества его переплавляют при
низком давлении в вакуумных дуговых печах (ВДП). Это позволяет
значительно уменьшить содержание вредных примесей и растворенных
газов в металле. Вакуумные дуговые печи применяют, как правило, для
переплавки высокореакционных металлов, таких как титан, ниобий,
вольфрам, цирконий, тантал, молибден, а также для переплава специ-
альных высококачественных сталей, после чего они очищаются и при-
обретают более плотную структуру. Давление в камере печи составляет
1,0-0,001 Па в зависимости от требований к перерабатываемому метал-
лу. С помощью ВДП получают слитки массой от нескольких сотен ки-
лограммов до 50 т и более.
Основные элементы ВДП. К таковым относятся: рабочая камера,
шток-электрододержатель, расходуемые электроды, кристаллизатор, под-
дон, соленоид.
Рабочая камера - это водоохлаждаемая сварная конструкция ци-
линдрической формы. В верхней части камеры установлены смотровые
окна, позволяющие наблюдать за горением дуги и наплавлением слитка.
Для дистанционного наблюдения в камере к окнам монтируют периско-
пы, проектирующие изображение рабочей зоны на экран. К нижнему
фланцу камеры прикреплен кристаллизатор.
Шток-электрододержателъ предназначен для закрепления и пере-
мещения расходуемого электрода и подключения к нему тока. Он состоит
из нескольких коаксиально расположенных труб, медная наружная труба
является токоведущей. Внутренние стальные трубы обеспечивают проч-
ность конструкции штока. Между трубами делают полости для прохода
охлаждающей воды.
Расходуемые электроды прикрепляются к штоку различными спо-
собами. Их иногда приваривают к огарку, затем с помощью резьбы крепят
к хвостовику штока, они могут удерживаться при помощи клиновидного
или цангового зажима. Перемещение штока и электрода производится
специальным приводом.
В качестве электродов при переплавке металлов служат прокат
или специальные штанги, изготавливаемые методом непрерывной раз-
ливки или ковки. Иногда применяют нерасходуемые электроды, а пере-
плавляемый металл кусками или слитками подается в кристаллизатор.
Каждый из этих способов может быть осуществлен по двум схемам:
146
Глава 6. Дуговые электрические печи
плавка в глухом кристаллизаторе (рис. 6.14, а) и плавка с вытягиванием
слитка (рис. 6.14, б).
Кристаллизатор состоит из внутренней гильзы и наружного
стального немагнитного кожуха. Между ними оставляют полость для
охлаждающей воды. Гильзу изготавливают из материала с хорошей те-
плопроводностью, не смачивающегося жидким металлом.
Поддон прикрывает низ кристаллизатора, входит внутрь или при-
мыкает к торцу гильзы. Главная деталь поддона — массивный медный
диск, снабженный стальной рубашкой с водяным охлаждением. Для
предотвращения возможного прожога медного диска дугой, перед нача-
лом плавки на него укладывают темплет (плоский образец) из пере-
плавляемого металла толщиной около 100 мм.
Соленоид размещают на боковой поверхности кристаллизатора,
с которым он создает аксиальное магнитное поле. Взаимодействие элек-
тромагнитного поля соленоида с током дуги и током в расплавленном ме-
талле вызывает повышение напряжения на дуге с 19 до 25 В, ограничивает
и стабилизирует дугу, а также приводит во вращение жидкий металл
в ванне, улучшая тем самым структуру переплавляемого металла. Питают
соленоид полупроводниковые выпрямители, позволяющие производить
резкое увеличение и реверсирование тока намагничивания.
Рис. 6.14. Схема ВДП с глухим кристаллизатором (а) и с вытягиванием слит-
ка (б): 1 — электрод; 2 - холодильник; 3 — вакуумное уплотнение штока;
4 - тянущий шток; 5 — поддон; б — слиток; 7 — кристаллизатор; 8 — соленоид
147
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Главной частью печи является рабочая камера, к ней присоединена
вакуумная система. Электрод 1 подвешен к подвижному штоку 4. Шток
проходит через вакуумное уплотнение в верхней части камеры. К ниж-
ней части камеры присоединяется охлаждаемый кристаллизатор 7 с ру-
башкой водяного охлаждения. К электроду 1 подключается отрицатель-
ный, а к кристаллизатору - положительный полюс источника питания.
В печи, работающей по схеме с вытягиваемым слитком, имеется прохо-
дящий через вакуумное уплотнение 3 шток 4 для вытягивания слитка.
Металл наплавляется на поддон 5 и по мере роста слитка 6 опускается
вниз. Технологический процесс вакуумной плавки начинается с созда-
ния вакуума в рабочей камере и опускания электрода до крайнего ниж-
него положения. После короткого замыкания или пробоя межэлектрод-
ного промежутка загорается дуга. Под действием теплоты электрод рас-
плавляется, и металл каплями перетекает на слиток [3, 7].
Для литья в вакууме применяют специальные вакуумные дуговые
печи двух типов: печи с разливкой при горящей дуге и печи с разливкой
при отключенной дуге.
6.4.1.	Дуговой разряд в вакуумных дуговых печах
Дуговой разряд в ВДП характеризуется тем, что электродная систе-
ма образуется концентрически расположенными стержневым электродом
и кристаллизатором. Электрическая дуга при этом горит в парах пере-
плавляемого металла при низком давлении в камере в сопровождении
осевого магнитного поля.
Технологическая плавка с электродом-катодом называется плавкой
с дугой прямой полярности, а с электродом-анодом - плавкой с дугой
обратной полярности.
Существует три формы дугового разряда, зависящие от давления
в рабочей камере ВДП:
1)	диффузный разряд, при давлении до 13,3 Па, напоминает слабо
светящийся столб, распределенный по всему электроду;
2)	отшнурованный разряд, при давлении больше 13,3 Па, пред-
ставляет ярко светящийся столб малого диаметра;
3)	переходную форму имеет разряд, наблюдающийся при давле-
нии 13,3-2 660 Па. Такой разряд обладает признаками диффузного раз-
ряда, но занимает лишь малую часть торца электрода.
Как правило, разряд бывает неустойчив и быстро перемещается
в пространстве. Длину дуги между электродами выбирают такой, чтобы
148
Глава 6. Дуговые электрические печи
избежать утечки электронов на стенку кристаллизатора. Поэтому в ВДП
нужно работать при коротких дугах около 30-50 мм.
Однако при слишком короткой дуге капли, стекающие с расходуемо-
го электрода, могут замыкать дуговой промежуток. При возникновении ко-
роткого замыкания мостик взрывообразно испаряется и вызывает мгновен-
ные броски тока и напряжения. Такой режим прекращают разведением
электродов, при этом расстояние между торцом электрода и зеркалом ван-
ны расплава должно быть больше длины капли стекающего металла.
При чрезмерном увеличении длины дугового промежутка или при
повышении давления в камере резко уменьшается концентрация паров
металла. Тогда катодное пятно переходит с торца электрода на его бо-
ковую поверхность и со скоростью до 50 м/с устремляется вверх по
электроду. Длина дуги увеличивается и вызывает общее свечение газов
в камере. Ток дуги при этом уменьшается, а напряжение пульсирует
с большой частотой и повышается до 30 В. В этом случае возникает
режим объемной ионизации.
При необоснованном удлинении дугового промежутка дуга может
перекинуться на стенку кристаллизатора. В этом случае возникнет ава-
рийный режим боковой дуги. Если боковую дугу тут же не погасить,
она прожжет стенку камеры или кристаллизатора, попадание же воды
внутрь камеры может вызвать взрыв установки. Погасить аварийную
дугу можно путем опускания электрода.
Градиент напряжения в столбе дуги при остаточном давлении, со-
ставляющем от 1 до 120 Па для всех переплавляемых в ВДП металлов, ко-
леблется от 0,97 до 3 В/см и не зависит от параметра тока. При общем на-
пряжении на дуге 30—50 В основная часть его приходится на прикатодное
падение потенциала: для стали - 19 В, титана - 13,5 В, молибдена - 14,4 В
и т. д. Анодное же падение напряжения существенно меньше и не превы-
шает работы выхода электрона переплавляемого металла [3, 7].
6.4.2.	Электрическая часть вакуумных дуговых печей
Электрическая силовая цепь ВДП состоит из: источника питания,
токопровода от источника питания до печи, токоведущих участков кон-
струкции, токоведущего штока-электрододержателя, электрода, слитка,
кристаллизатора, вакуумной камеры.
Токопровод обеспечивает контакт по периметру поддона, кри-
сталлизатора и вакуумной камеры, что снижает уровень магнитных по-
лей и способствует стабилизации горения дуги.
149
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
б
Рис. 6.15. Электрическая схема («) и схема замещения ВДП (б): 1 - шинный
токопровод; 2 - выключатель; 3 - балластное сопротивление; 4 — гибкий ка-
бель; 5 - ВДП; 6 — шинный токопровод к кристаллизатору; гш - сопротивле-
ние шинного токопровода; гк - сопротивление в выключателе; гб - балласт-
ное сопротивление; гг к - сопротивление в гибком кабеле; гд — сопротивление
дуги; гт — сопротивление токопровода
Электрическая принципиальная схема ВДП и эквивалентная схема
замещения ее силовой цепи представлены на рис. 6.15. В процессе плав-
ки из-за оплавления расходуемого электрода значение сопротивления
токопровода гт уменьшается, но для приближенных расчетов его можно
принять неизменным.
Источники питания ВДП имеют следующие характеристики:
1)	малое сопротивление дуги, позволяющее применение больших
(десятки килоампер) токов для поддержания необходимой тепловой
мощности печи. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги при этом
слабопадающая, горизонтальная или слабовозрастающая, что требует
наличия крутопадающей или вертикальной характеристики источника
питания печи;
2)	широкий (1:8) диапазон регулирования потребляемой мощно-
сти;
3)	высокая точность поддержания мощности на заданном уровне
при допустимом отклонении не более 2 %;
4)	высокая надежность в работе: внезапное отключение печи ведет
к потере выплавленного металла.
150
Глава 6. Дуговые электрические печи
В настоящее время еще встречаются в эксплуатации машинные
преобразователи серии ГПН-550 мощностью 645-675 кВт, рассчитанные
на потребляемые токи 6 500 и 14 000 А, с напряжением холостого хода
40 и 85 В.
В современных установках применяются агрегаты разных типов:
выпрямительный на неуправляемых вентилях, выпрямительный на ти-
ристорах, параметрический источник тока.
Выпрямительный агрегат на неуправляемых вентилях серии ВАКП
работает по принципу стабилизации и регулирования тока с помощью
дросселей, включенных последовательно с вентилями (рис. 6.16).
Крутизна падающего участка внешней характеристики обусловлена на-
клоном ненасыщенной части кривой намагничивания железа. С целью
ограничения тока короткого замыкания до двукратного значения /н
включают повышенное реактивное сопротивление, для чего к транс-
форматору присоединяют реактор. Агрегаты, собранные по этой схеме,
работают при токах до 12,5; 5,0 и 37,5 кА и состоят из следующих бло-
ков: трансформатор, дроссели насыщения, выпрямительный шкаф, уст-
ройство для измерения тока и напряжения, шкаф и пульт управления,
системы водоснабжения и контроля.
Силовой трансформатор напряжения со ступенями регулирования
состоит из магнитопровода и обмоток высокого (ВН) и низкого (НН)
напряжения. В схеме переключающего устройства имеется трехфазный
реактор, состоящий из магнитопровода и двойных дисковых катушек.
Дроссель насыщения состоит из однофазных дросселей, которые соби-
рают из элементов, представляющих кольцевой магнитопровод с об-
мотками управления и смещения. Изменение сопротивления дросселя
достигается регулированием тока в обмотке управления. Если регули-
рование тока дросселем оказывается недостаточно для поддержания не-
обходимого тока, тогда обмотки трансформатора автоматически пере-
ключаются в нужную ступень.
В соединении обмоток выпрямительный агрегат имеет парал-
лельные соединения в «звезду», «лучи» которой состоят из параллель-
но соединенных вентилей, включенных на шинах, охлаждаемых водой
(рис. 6.16). Равномерная загрузка вентилей регулируется автоматиче-
ски. Цепи вентилей защищены плавкими предохранителями. Выпрями-
тельный агрегат имеет защиту от перегрузки по току и коротких замы-
каний как на стороне постоянного тока (длительностью более 2 с), так
и на стороне переменного тока (максимально-токовая защита мгновен-
ного действия).
151
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 6.16. Схема выпрямительного агрегата серии ВАКП с неуправляемыми
вентилями на ток до 12,5 кА
Выпрямительные агрегаты серии АВП обеспечивают более высо-
кую точность поддержания тока и имеют токоограничивающие дроссе-
ли только на стороне низкого напряжения (НН). Автоматическое под-
держание тока во время плавки обеспечивается системой управления
дросселями насыщения. Печные силовые трансформаторы на высокой
стороне с напряжением 10 кВ («звезда») и 6 кВ («треугольник») имеют
17 ступеней, переключаемых под нагрузкой. Обмотки НН включены по
схеме «две обратные звезды» с уравнительным реактором. Плавное ре-
гулирование напряжения с дросселями насыщения производят внутри
ступени напряжения трансформатора. Выпрямительный агрегат рассчи-
тан на ток 12,5 кА и имеет все необходимые виды защит и блокировок.
Для повышения коэффициента мощности печи на стороне высокого на-
пряжения установлена батарея конденсаторов с автоматическим управ-
лением.
> Электрический дуговой разряд широко применяется не только
при плавке различных металлов и сварке массивных металлических де-
талей, но и при дуговой электрической сварке всех остальных соеди-
няемых элементов. Физическую сущность этих процессов мы рассмот-
рим в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Имеется трехфазный трансформатор для дуговых печей
средней мощности с потерями холостого хода РХх = 6,3 кВт и коэффи-
циентом мощности cos <р = 0,15. Определить фазные напряжения пер-
152
Глава 6. Дуговые электрические печи
вичной и вторичной обмоток (соединение обмоток по схеме «треуголь-
ник» - «звезда»), а также индуктивное сопротивление взаимоиндукции,
если активное сопротивление первичной обмотки т\ = 0,31 Ом. Линейные
напряжения первичной £ЛЛ и вторичной обмоток -ЮкВиЗООВ
соответственно.
Решение. При соединении первичной обмотки в «треугольник»
Цл =Цф =10 000 в.
При соединении вторичной обмотки в «звезду»
^л=^Фа/з,
300
1,73
= 173,4В.
При холостом ходе
2ф=ихх= 173,4В.
Ток холостого хода, А, находят из выражения
хх _ ^хх^хх cos Ф ’
Рхх 6 300
хх =----------=------------= 242,2.
хх t/xxcoscp 173,4-0,15
Индуктивное сопротивление взаимоиндукции
Z =^xx ^1ZM = O,72 Ом.
хх 1ХХ 242,2
АА	7
Ответ-. t/1dl -10 000В;	- 173,4В; Zxx = 0,72 Ом.
X LU
Пример 2. Определить потребляемую активную мощность электро-
дуговой печи, если известно: активное сопротивление дуги Яд = 15 Ом;
активное и индуктивное сопротивления подводящей сети - г = 10 Ом,
х = 8,3 Ом соответственно. Фазное напряжение питающей сети -
380 В.
153
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Решение. Потребляемая активная мощность
Р = Р + Р
где Рд - активная мощность дуги, Вт;
Л = /2л„,
где I - полный ток цепи, А;
/?д — активное сопротивление дуги, Ом; Рм - потери активной мощности
в подводящей цепи, Ом,
Рм =12г.
Получаем:
I = 380/7(15 + 10)2 +8,32 =14,42 А;
Рд = 14,422 15 = 3 119 Ом;
Рм = 14,422-10 = 2 079 Ом;
Р =3 119 + 2079 = 5 198 Ом.
d
Ответ'. Ра = 5 198 Вт.
Задачи
1.	Определить потребляемую активную мощность электродуговой
печи, если известно: активное сопротивление дуги = 15 Ом, активное
и индуктивное сопротивления подводящей сети — г = 10 Ом, х = 8,3 Ом
соответственно. Фазное напряжение питающей сети - 380 В.
2.	Определить напряжение на дуге и сопротивление в ней, если
/д = 0,9 А. Мощность установки дуговой печи S = 175 В ♦ А, ее коэффи-
циент мощности cos ф = 0,84, электрический КПД т|э = 0,94.
3.	Каков удельный расход электроэнергии W в дуговой вакуумной
печи, если КПД токопровода т|тп = 0,78, а КПД источника питания
Лист= 0,85? Катодная доля мощности hK = 0,5, масса материала
G = 0,75 кг. Потери: Ра.ИЗл=18 кВт, Рк.изл = 2 кВт, Ра.Тепл=16 кВт,
Люл.э = 48 кВт, Рпот, = 8 кВт.
154
Глава 6. Дуговые электрические печи
4.	Определить коэффициент мощности вакуумной дуговой печи
при фазово-импульсном регулировании, если известно: напряжение се-
ти U = 220 В, полный ток I = 130 А, основная гармоника тока 1\ = 90 А,
cos (р = 0,6, коэффициент искажения v = 0,6, реактивная мощность
Q = 17,6 квар.
Вопросы для самопроверки
1.	В чем состоит отличие дуговых печей прямого и косвенного
действия?
2.	Какова главная отличительная особенность дуговой печи сопро-
тивления?
3.	Для чего необходимо гибкое управление мощностью?
4.	Какие элементы относятся к основным элементам печи?
5.	Что такое рабочая камера и каково ее устройство?
6.	В чем состоит особенность дугового разряда в вакуумных печах?
155
Глава 7. ДУГОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРКА
7.1.	Теоретические основы дуговой сварки
Под электрической дуговой сваркой понимают процесс получения
неразъемных соединений металлических деталей за счет их сплавления
с помощью электрической дуги. Это один из основных технологических
процессов соединения деталей в машиностроении и строительной инду-
стрии [3, 7, 19].
В процессе дуговой сварки тепловая энергия, необходимая для
плавления металла, получается в результате горения дуги, возникающей
между свариваемым металлом и электродом. Расплавляясь под действи-
ем дуги, кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода
образуют сварочную ванну, которая короткое время находится в рас-
плавленном состоянии. При кристаллизации металла образуется свар-
ное соединение.
Дуговая сварка представляет собой комплекс металлургических
и физико-химических процессов, протекающих в металле при высоких
концентрированных температурах.
При ручной сварке вместе с металлом плавится электродное по-
крытие (обмазка), при дуговой сварке под флюсом в автоматическом
или полуавтоматическом режимах вместе с металлом плавится флюс —
материал сложного состава, под слоем которого ведется сварка.
При расплавлении металл электрода переходит в сварочную ванну
в виде капель. Размер капель и их количество зависят от силы тока, хи-
мического состава электрода и покрытия (флюса). При одновременном
переходе капель жидкого электродного металла и шлака через дуговой
промежуток между компонентами, окружающими дугу, протекают хи-
мические реакции. Во время процесса сварочная ванна перемещается
вдоль шва с определенной скоростью.
Шлаки, окружающие капли металла, состоят из оксидов SiC>2,
TiO2, Р2О5, CaO, MnO, FeO, BaO, MgO, NiO и т. и. и солей различных
веществ: CaS, MnS, CaF2 и др. Шлак, окружающий частицы металла при
переходе их через дуговой промежуток, и шлаковый покров на свароч-
ной ванне улучшают физические свойства наплавляемого металла.
Имеющиеся в шлаке ионизирующиеся элементы повышают устойчи-
вость горения дуги, что особенно важно на переменном токе.
156
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Вещества, входящие в состав флюса, - газообразующие элементы
(крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука, мел, мрамор, соедине-
ния, богатые кислородом, например БегОз, МпО, плавиковый шпат) при
попадании в дугу образуют газ, защищающий сварочную ванну от воз-
духа.
При дуговой сварке в газовой среде защита обеспечивается нали-
чием аргона, аргон-гелия, азота, углекислого газа, паров воды.
Возникающий при сварке капельный перенос обеспечивает дос-
тавку в сварочную ванну до 95 % всего металла плавящегося электрода. Ос-
тальные 5 % теряются в виде брызг. Процесс переноса капли металла
включает в себя следующие стадии: оплавление торца электрода, стека-
ние металла, образование капли грушевидной формы. У самого основа-
ния капли образуется тонкая шейка, имеющая высокое электрическое
сопротивление. В ней плотность тока резко возрастает, перегревая шей-
ку и удлиняя каплю, которая тут же обрывается, на мгновение замыкая
накоротко цепь тока. При этом шейка взрывается, образуя большое ко-
личество пара и газов, отбрасывающих каплю в направлении сварочной
ванны. Далее процесс повторяется.
При ручной сварке электрод длиной 450 мм расплавляется за 1,5-
2 мин. Количество расплавляемого за единицу времени металла опреде-
ляют по формуле
С = ап/т,	(7.1)
где ап _ коэффициент плавления, г/ч; I - ток дуги, А; т - время горения
дуги, ч.
Из-за потерь количество фактически наплавленного металла оп-
ределяется коэффициентом наплавки ан, который на 5-20 % меньше
коэффициента плавления. Для электродов с различными покрытиями
ан = 7-13 г/(А • ч). Величину коэффициента наплавки нужно знать при
нормировании сварочных работ.
Скорость сварки (см/ч) рассчитывают по формуле
V = aH//(yF),	(7.2)
где ан - коэффициент наплавки г/(А • ч); у - удельная масса наплавлен-
ного металла (устаЛи = 7,85 г/см3); F - площадь поперечного сечения сва-
рочного шва, см2.
Расстояние межэлектродного промежутка / при сварке должно
быть больше длины капли металла, отрывающегося от электрода, и рав-
но 4-7 мм.
157
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Из-за малой протяженности столба дуги (4-7 мм) и низкого значе-
ния линейного градиента потенциала между приэлектродными пятнами
дуги, рабочее напряжение равно 8—12 В. С учетом того что напряжение
дуги состоит из анодного и катодного падений напряжения и их значения
зависят от тока дуги, материала электродов и изменяются в незначитель-
ных пределах, напряжение на сварочной дуге составляет от 18 до 45 В.
При незначительном увеличении тока напряжение, необходимое для го-
рения дуги, снижается и ВАХ дуги приобретает падающий характер.
В больших сварочных токах ВАХ становится жесткой. Скорость
плавления электрода и свариваемого металла определяется главным об-
разом мощностью, выделяющейся на электродах, а столб дуги выполня-
ет технологические, а не энергетические функции. Основным показате-
лем установок дуговой сварки является сварочный ток. Напряжение же
холостого хода источника питания является условием, обеспечивающим
устойчивое горение сварочной дуги.
Заметим, что напряжение зажигания дуги при переходе тока через
нуль зависит от ряда факторов, но в первую очередь от силы тока. С по-
вышением тока напряжение зажигания дуги уменьшается. Соотношение
между напряжением зажигания и напряжением горения дуги для сварки
открытой дугой U3 = (1,3-2,5) t/д. При сварке же на больших токах под
флюсом напряжения зажигания дуги и ее горения будут одинаковыми.
Виды сварки по степени механизации. Сварку подразделяют на
ручную, полуавтоматическую и автоматическую. Отнесение процесса
сварки к тому или иному виду зависит от того, каким образом выпол-
няются зажигание и поддержание нужной длины дуги, манипуляции
электродом, перемещение электрода по линии наложения шва и завер-
шение процесса сварки. При этом технологические действия для обра-
зования шва производятся сварщиком вручную.
Ручная сварка выполняется плавящимся электродом с покрытием
(рис. 7.1) или неплавящимся электродом с газовой защитой.
При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механи-
зирована часть операций, например подача электродной проволоки или
флюса в сварочную зону, перемещение горелки по свариваемой детали
и др. Остальные операции сварки выполняются сварщиком вручную.
При автоматической сварке под флюсом (рис. 7.2, а) автоматизи-
ровано большинство сварочных операций. Так, сварочная проволока 2
и гранулированный флюс 1 подаются в зону дуги, горящей в полости 3,
заполненной парами металла и материалов флюса.
158
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Рис. 7.1. Схема ручной дуговой сварки: 1 - основной металл; 2 - сварочная
ванна; 3 - кратер; 4 - сварочная дуга; 5 - проплавленный металл Гпр; 6 - на-
плавленный металл Г„; 7 — шлаковая корка; 8 — жидкий шлак; 9 — покрытие
электрода; 10 — стержень электрода; 11 — электрододержатель; 12 - свароч-
ная цепь; 13 — источник питания; Н- высота сварочного шва; h — глубина
проплавленного металла заготовок; I — ширина сварочного шва
а
Рис. 7.2. Схемы сварки под флюсом (а) и в среде защитных газов (б)
По мере перемещения дуги расплавленный флюс всплывает на по-
верхность сварочной ванны и образует легко отделяющуюся от шва шлако-
вую корку 5, металл же сварочной ванны кристаллизуется в виде сварного
шва 4. Шлак защищает металл от воздействия кислорода и азота воздуха,
легирует и замедляет охлаждение металла шва, что улучшает качество на-
плавленного металла при высокой производительности процесса.
При автоматической сварке в защитном газе (рис. 7.2, б) возникаю-
щая между электродом и металлом дуга окружена газом 6, подаваемым
под небольшим давлением из сопла 7. Газовая защита применяется при
сварке плавящимися и неплавящимися электродами. Назначение газа сво-
дится к физической защите сварочной ванны от воздействия воздуха.
159
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Способы сварки. Кратко рассмотрим наиболее распространенные
способы сварки.
Сварка в камерах с контролируемой атмосферой применяется для
соединения легкоокисляющихся металлов и их сплавов. В камере мож-
но создать атмосферу из инертных газов - это обеспечит высокое каче-
ство сварного соединения.
Сварка трехфазной дугой применяется при ручной и механизиро-
ванной сварке. Суть этого способа заключается в том, что к двум элек-
тродам, закрепленным в специальном держателе, и к свариваемому из-
делию подводится переменный ток от трехфазного источника питания.
После возбуждения горит не одна дуга, как обычно, а одновременно три
дуги: между обоими электродами и между каждым из электродов и из-
делием. Эта тройная дуга по отношению к свариваемому изделию явля-
ется независимой и делает расплавление электродов непрерывным про-
цессом, обеспечивая высокое качество сварного шва.
При сварке неплавящимся электродом дуга горит между вольфра-
мовым электродом и изделием. При этом электрод проходит через на-
садку, по которой в зону сварки подается аргон. Поэтому такая сварка
называется аргоновой. Диаметр вольфрамового электрода может быть
1-4 мм. Аргоновая сварка деталей толщиной 3 мм и более эффективно
выполняется невольфрамовым плавящимся электродом на автоматах
и полуавтоматах. Этот способ сварки более производительный, чем
сварка вольфрамовым электродом, и может применяться для сварки
практически всех металлов: легированных сталей, меди, никеля и их
сплавов, титана, алюминия, алюминиевых и магниевых сплавов, кото-
рые свариваются даже без применения флюсов. Главным преимущест-
вом такой сварки является то, что в процессе работы сварщик может
видеть место сварки и регулировать процесс.
Сварка в углекислом газе может выполняться как неплавящимся,
так и плавящимся электродом на автоматах и полуавтоматах.
7.2.	Источники питания дуговой сварки
Главной особенностью сварочных источников тока является то, что
они способны выдерживать во время работы многократные короткие за-
мыкания во вторичной цепи. Это происходит при зажигании дуги касани-
ем электродов и во время сварки, когда скорость подачи плавящегося
электрода опережает скорость его плавления.
160
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Рис. 7.3. Внешние характеристики источника питания при слабо- и крутопа-
дающей статической характеристике дуги
Более того, из-за нелинейности ВАХ дуги, имеющей падающий, же-
сткий и восходящий участки, ВАХ источника питания должна иметь со-
ответствующий вид [9,19, 20].
При сварке в ручном и автоматическом режимах под слоем флюса
с автоматическим регулированием напряжения на дуге, когда ВАХ дуги
слабопадающая (рис. 7.3, кривая /), внешняя ВАХ источника должна
быть крутопадающей (рис. 7.3, кривая 2). Известно, что чем больше кру-
тизна падения ВАХ источника питания (ИП) в рабочей точке К (рис. 7.3,
кривая 3), тем меньше колебания тока при неожиданных изменениях
длины дуги и условий ее горения. При таких характеристиках напряже-
ние холостого хода ИП в 1,8-2,4 раза больше напряжения дуги.
При сварке в автоматическом режиме под флюсом с саморегулиро-
ванием дуги, имеющей жесткую характеристику, ВАХ ИП должна быть
пологопадающей для повышения саморегулирования дуги. При сварке же
в среде защитных газов и при большой плотности постоянного тока
в электроде ВАХ дуги возрастающая. Таким образом, внешняя характери-
стика ИП для еще большей активности саморегулирования должна быть
жесткой или возрастающей. Источники питания должны обеспечивать
возможность настройки различных режимов сварки — установление за-
данных значений тока и напряжения, обеспечивающих сварочный ток.
Оценкой динамических характеристик ИП служит скорость нарас-
тания напряжения на его зажимах при переходе от режима короткого
замыкания к режиму холостого хода. При этом важным является время
нарастания напряжения от нуля до возбуждения дуги и время восста-
новления напряжения: каждый из этих параметров не должен превы-
шать 0,03 с.
161
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Источники питания сварочной дуги переменного тока - это
сварочные трансформаторы, которые бывают одно- и трехфазными, а по
количеству питаемых сварочных постов — одно- и многопостовыми.
По возможности получения падающих внешних характеристик
и регулирования тока источники питания бывают двух типов: транс-
форматоры с нормальным магнитным рассеянием, состоящие из двух
раздельных аппаратов (трансформатор и дроссель), и трансформаторы
с развитым магнитным рассеянием (с подвижными катушками, с маг-
нитными шунтами, со ступенчатым регулятором).
Трансформаторы с отдельным дроссельным регулятором (рис. 7.4),
сопротивление которого можно изменять в широких пределах, состоит
из сердечника А с двумя обмотками: первичной I и вторичной II, соз-
дающей напряжение холостого хода 60-65 В. Первичную обмотку под-
ключают к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В.
Регулятор тока - дроссель В состоит из магнитопровода (ярмо)
и обмотки, расположенной на неподвижной части магнитопровода
(якорь). Между ярмом и якорем делают воздушный зазор 8, изменяя ко-
торый с помощью винта можно осуществлять плавное регулирование
сварочного тока. При увеличении зазора 8 электрическое сопротивление
(индуктивное) дросселя уменьшается, а ток в сварочной цепи увеличи-
вается. При уменьшении же зазора 8 электрическое сопротивление
дросселя увеличивается, а сварочный ток уменьшается.
Дроссельная катушка в цепи создает падающую внешнюю харак-
теристику, благодаря этому напряжение на дуге изменяется в соответст-
вии с колебаниями и изменениями ее длины.
220 или 380 В
Рис. 7.4. Схема сварочного аппарата с отдельным регулятором: А — транс-
форматор; В - дроссель; I - первичная обмотка; II - вторичная обмотка;
8 - воздушный зазор
162
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Рис. 7.5. Схема трансформатора СТН со встроенным регулятором: А - маг-
нитопровод трансформатора; В - магнитопровод регулятора; С - ярмо;
Ф — основной магнитный поток; Фк - магнитный поток регулируемого кон-
тура; Ф^ - магнитный поток первичного контура; Ф" - магнитный поток
вторичного контура
Сварочный трансформатор типа СТН со встроенным регулято-
ром (рис. 7.5) имеет на общем магнитопроводе три обмотки: первичную
I и вторичную II обмотки трансформатора и обмотку регулятора (дрос-
сельную катушку) Пк, включенную последовательно со вторичной об-
моткой.
Регулирование сварочного тока обеспечивается изменением воз-
душного зазора 5 между магнитопроводом и якорем С.
Главным преимуществом трансформаторов этой серии является
компактность, меньший расход меди и трансформаторной стали; при
изменении тока с большого значения до минимального напряжение хо-
лостого хода несколько увеличивается, что обеспечивает высокую ус-
тойчивость горения сварочной дуги.
Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием имеют
наибольшее распространение при ручной дуговой сварке, в них регули-
рование сварочного тока осуществляется изменением расстояния между
обмотками или подвижным магнитным шунтом. Этим способом изме-
няют сопротивление потока рассеяния и соответственно индуктивность
трансформатора: при увеличении сопротивления шунтирующей цепи
индуктивность рассеяния трансформатора снижается и соответственно
сварочный ток увеличивается.
163
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Источники питания сварочной дуги постоянного тока подраз-
деляют на две группы: сварочные преобразователи и сварочные выпря-
мители. Технические характеристики некоторых сварочных источников
питания приведены в табл. 7.1.
Сварочный преобразователь состоит из генератора постоянного то-
ка и двигателя (электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания).
Однопостовые сварочные генераторы делятся на три основные
группы, в зависимости от схемы формирования падающей внешней ха-
рактеристики:
1)	генераторы с расщепленными полюсами и с поперечным полем,
падающая внешняя характеристика которых обеспечивается путем раз-
магничивания основного поля генератора магнитным полем реакции
якоря;
2)	генераторы с независимым возбуждением, падающая внешняя ха-
рактеристика которых обеспечивается уменьшением основного магнитно-
го потока генератора потоком последовательной обмотки. Питание неза-
висимой обмотки возбуждения осуществляется от генератора - возбуди-
теля или выпрямителя;
3)	генераторы с намагничивающей параллельной и размагничи-
вающей последовательной обмотками, падающая внешняя характери-
стика которых обеспечивается размагничивающим действием потоков
последовательной обмотки и реакции якоря генератора.
В генераторах сварочного тока с расщепленными полюсами пре-
дусмотрен двойной способ регулировки сварочного тока: сдвигом ще-
ток и реостатом в цепи регулируемой обмотки, что позволяет увеличить
пределы изменения тока без радикального изменения напряжения холо-
стого хода генератора. Сдвиг щеток против направления вращения яко-
ря генератора уменьшает размагничивание потока реакции якоря и уве-
личивает ток короткого замыкания (сварочный ток). Сдвиг же щеток по
направлению вращения якоря уменьшает ток короткого замыкания.
Централизованная схема питания сварочных постов (СП) с приме-
нением многопостовых сварочных генераторов обладает рядом преиму-
ществ перед однопостовым вариантом: сокращаются затраты на приоб-
ретение, ремонт и обслуживание СП; уменьшается потребность в площа-
дях; увеличивается коэффициент использования оборудования и др.
Для создания нормальной работы СП при их питании от многопо-
стового генератора, последний должен иметь жесткую внешнюю харак-
теристику, т. е. напряжение генератора при изменении тока не должно
изменяться более чем на 5 % от номинального значения.
164
Таблица 7.1
Технические характеристики сварочных источников питания
Источник сварочного тока	Номинальный сварочный ток, А, при ПВ* = 60 %	Предел регулирова- ния тока, А	Напряжение на дуге, В	Напряжение холостого хода, В	Первичное напряже- ние, В	Мощность, кВА	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
Источники переменного тока — трансформаторы								
ТСД-1000-3	1 000	400-1 200	42	69-78	220/380	76	950x818x1 215	540
ТСД-2000-2	2 000	800-2 200	53	72-84	380	180	1 050x900x1 300	670
ТДФ-1001	1 000**	400-1 200	44	68-71	220/380	82	1 200x830x1 200	720
ТДФ-1601	1 600**	600-1 800	44	95-105	380	182	1 200x830x1 200	1000
ТДФ-2001	2 000**	800-2 200	50	74-79	380	170	1 200x830x1 200	980
		Источники постоянного тока —			выпрямители			
ВС-300	300	30-300	—	20-40	380	17	560x720x965	250
ВСЖ-303	315	50-315	—	18-50	220/380	20	710x550x955	280
ВДГ-302	315	50-315	16-38	30-50	220/380	19	1 045x748x959	275
ВС-600	600	60-600	—	20-40	380	35	1 000x805x1 510	490
ВДГ-601	630	100-700	18-66	66	220/380	67	1 234x868x1 081	525
В ДУ-504	500	70-500	18-50	72-78	220/380	40	1 275x816x940	380
ВДУ1001	1 000**	300-1 000	24-66	24-66	380	105	950x1 150x1850	750
ВДУ-1601	1 600**	500-1 600	26-66	26-66	380	165	950x1 150x1850	950
Источники для сварки постоянным током — преобразователи								
ПД-501	500	125-500	40	55-90	220/380	2g***	1 075x650x1 085	454
ПСГ-500	500	60-500	40	16-40	220/380	2g***	1 055x580x920	500
* ПВ - повторное включение.
** Номинальный ток при ПВ = 100 %.
*** Мощность приводится в киловаттах.
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 7.6. Схема многопостового преобразователя
с балластными реостатами
Подключение СП к генератору осуществляется через балластные
реостаты (БР), которые позволяют изменять сопротивление в широких
пределах, изменяя тем самым сварочный ток. Балластный реостат обеспе-
чивает падающую характеристику, служит регулятором тока, ограничива-
ет и регулирует ток короткого замыкания в сварочной цепи поста в мо-
мент зажигания дуги.
Сварочные генераторы с жесткими и пологопадающими внешни-
ми характеристиками применяют как многопостовые ИП или для пита-
ния автоматов или полуавтоматов с постоянной скоростью подачи элек-
тродной проволоки. Генераторы данного типа (рис. 7.6) имеют особую
систему возбуждения: в ней потоки обмоток 1 и 3 направлены согласно,
а напряжение холостого хода регулируют с помощью реостата 2. Каж-
дый сварочный пост включается через балластное сопротивление 4,
обеспечивающее регулирование тока в широких пределах.
Универсальный сварочный генератор (рис. 7.7) может менять
форму внешней характеристики и регулировать динамические свойства.
Падающая характеристика может быть изменена на жесткую переклю-
чением сериесной обмотки (СО) переключателем (П) со встречного
включения на согласное и рассчитанным изменением числа включен-
ных витков; регулируемый дроссель (Др) позволяет получить требуе-
мые динамические характеристики.
Сварочные выпрямители базируются на использовании полупро-
водниковых приборов, которые позволяют существенно расширить но-
менклатуру ИП для дуговой сварки. Их главным преимуществом является
166
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
равномерная загрузка силовой сети переменного тока и оптимальное
использование трансформатора, питающего выпрямитель. Вследствие
меньшей электромагнитной инерции динамические свойства выпрями-
телей лучше генераторов постоянного тока. Ток и напряжение в них из-
меняются при переходных процессах почти мгновенно, и КПД выпря-
мителей выше, чем у сварочных преобразователей с генератором посто-
янного тока.
В сравнении со сварочными трансформаторами трехфазные вы-
прямители обеспечивают большую стабильность дуги, особенно на ма-
лых токах, поэтому напряжение их холостого хода может быть несколь-
ко ниже.
Тиристорные выпрямители являются замкнутой системой автома-
тического регулирования с отрицательной обратной связью по току при
падающих внешних характеристиках и положительной обратной связью
по выходному напряжению при жестких внешних характеристиках.
Возможна и совместная работа обратной связи по току и напряжению
для создания расчетной крутизны наклона пологопадающих внешних
характеристик.
Структурная схема сварочного тиристорного выпрямителя с па-
дающими характеристиками представлена на рис. 7.8, где Т - силовой
трансформатор; БП - блок подпитки; ТРИ - тиристорный регулятор на-
пряжения; ДТ - датчик тока; СД - сварочная дуга; БЗТ - блок задания
тока; БС - блок сравнения; БФУ - блок фазного управления; КЗ - кор-
ректирующее звено.
Рис. 7.7. Электрическая схема универсального сварочного генератора
167
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 7.8. Структурная схема сварочного тиристорного выпрямителя
с падающей характеристикой
Расчетное напряжение сравнивается с сигналом обратной связи,
пропорциональным мгновенному значению сварочного тока, и усилен-
ная разность между ними направляется на вход блока фазового управ-
ления. Поступающие на тиристорный блок импульсы отпирания позво-
ляют поддерживать величину сварочного тока с высокой точностью.
Для устранения пульсаций и поддержания стабильного процесса
сварки в цепь включается индуктивность, значение которой зависит от
режимов сварки. Широкое применение получили различные схемы,
обеспечивающие минимальную пульсацию выпрямленного тока как для
ручной, так и для автоматической сварки.
Выпрямитель ВСС-300-3 (рис. 7.9) представляет собой однопосто-
вую сварочную установку, включающую понижающий трансформатор Т,
блок выпрямителей В, пускорегулирующую аппаратуру и вентилятор.
Трехфазный понижающий трансформатор имеет падающие внешние ха-
рактеристики. Изменение сварочного тока осуществляется за счет изме-
нения потока рассеяния между первичной и вторичной обмотками
трансформатора. Пределы регулирования сварочного тока производятся
переключением обмоток трансформатора со «звезды» на «треугольник».
Выпрямитель ВСС-300-3 собирается по трехфазной мостовой схеме
Ларионова. Он снабжен фильтрами для подавления радиопомех, а также
схемой защиты, отключающей его от сети при чрезмерной перегрузке.
Для сварки металлов малых толщин в среде аргона постоянным
и импульсным токами применяются транзисторные преобразователи се-
рии АП. Принципиальная схема таких аппаратов (рис. 7.10) включает
силовой трехфазный трансформатор Т, выпрямитель В, блок транзисто-
ров БТ, блок управления БУ, генератор импульсов ГИ и блок поджига
дуги БП. Блок поджига включает осциллятор, который обеспечивает
зажигание дуги Д без касания электродов.
168
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Рис. 7.9. Принципиальная схема сварочного выпрямителя ВСС-300-3
Рис. 7.10. Принципиальная схема и внешние характеристики
аппаратов типа АП
169
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Сварочный ток регулируется плавно при помощи блока транзисто-
ров, обеспечивая крутопадающую ВАХ. Для получения импульсной дуги
в цепи управления имеется генератор импульсов регулируемых ампли-
туд, длительности и частоты [3, 7, 19].
7.3.	Особенности ручной дуговой сварки
Ручной дуговой сваркой выполняют множество операций соеди-
нения деталей в цехах, непосредственно на конструкциях и стройпло-
щадках. Это обусловило высокие требования к применяемому оборудо-
ванию и самому процессу сварки. Переносные сварочные установки
снабжены сварочными кабелями соответствующего сечения (табл. 7.2).
Держатели электродов при технологических приемах должны на-
дежно удерживать электроды диаметром 0,3-6 мм, сделанные из холод-
нотянутой или горячекатаной проволоки (из такого же материала, что
и свариваемые детали). Условные обозначения присадочного материала
и легирующих элементов приведены в табл. 7.3.
Марка сварочной проволоки может состоять: из букв «Св», озна-
чающих «сварочная»; буквенных обозначений элементов, входящих
в состав проволоки; из числа, соответствующего ее диаметру в милли-
метрах; числа, показывающего содержание углерода. Например, для
сварки алюминия и его сплавов применяется проволока марок СвАМц,
СвАМб, АЛ9 и др.; для сварки меди и ее сплавов - проволока Ml, М2;
для сварки бронзы - проволока БрКМцЗ-1; латуни - проволока Л63,
Л60-1 и др.
Проволоки для механизированной сварки имеют маркировку, со-
стоящую из букв: Э - электродная, О - омедненная, Ш - электрошлако-
вая, ВД — воздушно-дуговая, ВИ - вакуум-индукционная.
Таблица 7.2
Сечение сварочных кабелей
Сила тока, А	Сечение провода, мм2	
	одинарного	ДВОЙНОГО
200	25	—
300	50	2x16
400	75	2x25
500	95	2x35
170
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Условные обозначения присадочного материала
и легирующих элементов источников питания
Таблица 7.3
Химический элемент	Условное обозначение		Химический элемент	Условное обозначение	
	в таблице Менделеева	в марке стали		в таблице Менделеева	в марке стали
Марганец	Мп	г	Титан	Ti	т
Кремний	Si	с	Ниобий	Nb	Б
Хром	Сг	X	Ванадий	V	Ф
Никель	Ni	н	Кобальт	Со	К
Молибден	Мо	м	Медь	Си	Д
Вольфрам	W	в	Бор	В	р
Селен	Se	Е	Азот	N	А
Алюминий	Al	Ю			
Классификация электродов зависит: от материала, из которого они
изготовлены; от металла, для сварки которого они предназначены; от
количества покрытия, нанесенного на металлический стержень; от хи-
мического состава стержня и покрытия; от характера шлака, образую-
щегося после сварки.
Маркировка электродов для сварки конструкционных сталей со-
стоит из обозначения марки и типа электрода, диаметра стержня, типа
покрытия и номера ГОСТа. Например, УОНИ-13/45-Э42А-4,ОФ ГОСТ
9467-60 расшифровывается так: УОНИ-13/45 - марка электрода; Э42А -
тип электрода; 4,ОФ - диаметр и покрытие электрода.
Величину сварочного тока выбирают в зависимости от марки
и диаметра электрода, с учетом положения шва в пространстве, вида со-
единения, толщины и состава свариваемого металла, температуры ок-
ружающей среды. Сварочные работы ведутся на максимально возмож-
ном токе. Режим сварки металлов разной толщины и свойств дается
в специальных руководствах.
7.4.	Особенности полуавтоматической
и автоматической сварки
При автоматизации сварки не только скорость подачи проволоки
в зону горения дуги, но и возбуждение и поддержание горения дуги, пе-
ремещение дуги должны соответствовать скорости сварки.
171
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Производительность автоматической сварки в 5-20 раз выше, чем
ручной, при высоком качестве шва и экономии электроэнергии и мате-
риалов. Флюсы и присадочную электродную проволоку выбирают по
тем же критериям, что и при ручной сварке. Что касается плотности то-
ка, то ее выбирают значительно большей, а диаметр сварочной прово-
локи при токах 100-3 000 А варьирует от 1 до 6 мм.
Установка для автоматической сварки включает три основные час-
ти: сварочный агрегат, источник питания и аппаратный ящик с пультом
управления. Установки для механизированной и автоматизированной
сварки бывают следующих видов: сварочные полуавтоматы; сварочные
автоматы; сварочные тракторы.
Сварочные полуавтоматы ведут сварку и наплавку с автомати-
ческой подачей проволоки и других сварочных материалов в зону го-
рения дуги и ручным движением дуги вдоль сварного шва. Полуавто-
маты для сварки в защитных газах (рис. 7.11) состоят из горелки 1 со
шлангом 2, механизма 3 подачи электродной проволоки, кассеты или
катушки 5, блока управления 4, если он объединен с источником пи-
тания; сварочного кабеля 10, цепей управления 9, аппаратуры для ре-
гулирования подачи газа 8 (при сварке в углекислом газе); шланга 6,
источника питания 7.
Полуавтоматы для сварки под флюсом включают те же узлы, но
вместо газовой аппаратуры они имеют устройства подачи флюса.
Рис. 7.11. Схема шлангового полуавтомата для сварки в защитных газах
172
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Для сварки изготовляют специальные горелки на определенный
ток, величину которого выбирают из стандартного ряда токов: 125, 160,
220, 250, 315, 400, 500, 630 А.
Сварочные автоматы могут быть подвесными, самоходными, а так-
же в виде сварочных тракторов общего или специального назначения. На-
пряжение на дуге при сварке под флюсом выбирают по опытным данным,
показывающим изменение напряжения дуги в зависимости от величины
сварочного тока, диаметра электрода, марки металла и других параметров.
Обычно U = 32-24 В при I = 180-300 А и U = 40-44 В при I = 1 000-
1 200 А (для электродов диаметром 2 и 5 мм под флюсом АН/348А).
Диаметр электродной проволоки <7, (мм) можно приближенно вы-
числить из выражения
1„ =110^ + 10^.	(7.3)
Сварочный трактор представляет собой самоходный агрегат для
сварки под флюсом, который несет на самоходной тележке подающий
механизм, сварочную горелку, механизм настройки и корректировки
передвижения, флюсовую аппаратуру и систему управления. Конструк-
тивное исполнение тракторов возможно в двух вариантах: перемещаю-
щиеся по изделию и перемещающиеся по рельсам.
Рис. 7.12. Сварочный трактор АДС-1000-2: 1 — тележка; 2 — механизм попе-
речной корректировки; 3 — стойка; 4 — рукоятка муфты; 5 — зажим стойки;
6 - пульт; 7 - кассета; 8 - зажим коромысла; 9 - коромысло; 10 - бункер;
11 — рукоятка; 12 — механизм вертикальной корректировки; 13 — сварочная
головка
173
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
На рис. 7.12 показан сварочный трактор АДС-1000-2. Его переме-
щение осуществляется от электродвигателя постоянного тока. Исполни-
тельная система трактора оснащена средствами автоматического веде-
ния сварочного процесса с программным управлением координатами
как инструмента, так и изделия, а также условиями режима сварки. Этот
агрегат называют также промышленным сварочным роботом.
Роботы блочно-модульной конструкции специального назначения
применяются в крупносерийном и массовом производствах для сварки
изделий, требующих перемещения сварочного инструмента от одной до
четырех степеней подвижности.
> Электрическая дуга в большинстве электротехнологических
процессов является главным технологическим инструментом и позволяет
выполнять множество операций: нагрев, резку, плавку, сварку. Не менее
важно ее значение при получении низкотемпературной плазмы, которая
находит применение во многих областях машиностроения. Ознакомимся
с плазменными технологиями в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определите мощность дуги при дуговой сварке, если
плотность металла шва j = 7,8 г/см3, длина сварочной ванны L = 10 см, ко-
личество жидкого металла в сварочной ванне Gt, = 100 г, температура
плавления металла Т1и = 1 800 К, среднее время пребывания металла
в жидком состоянии тср = 20 с, теплопроводность X = 100 кал/(см • с • °C),
площадь поперечного сечения металла шва Fcm =0,1 см2.
Решение. Определим количество металла, переплавленного дугой:
g = OB/Tcp =100/20 = 5 г/с.
Найдем скорость сварки:
174
Глава 7. Дуговая электрическая сварка
Определим время сварки:
tcB =L/V = 10/6,4 = 1,56 с.
Мощность дуги найдем по формуле
q = ta(.2nXVT„„).
Получаем
q = 1,56 (2-3,14-100-6,4-1 800) = 20 835 кВт.
Ответ', мощность дуги q = 20 835 кВт.
Пример 2. При дуговой сварке металла образуется шов вследствие
проплавления присадочного и основного материалов. Определить ко-
эффициент расплавления ар, коэффициент потерь у, коэффициент на-
плавки ан и свариваемый ток /, если известно: масса расплавленного
электродного металла Ор = 500 г, время горения дуги t = 0,5 ч, диаметр
электрода d = 4 мм, температурный коэффициент К = 40, масса наплав-
ленного металла G,, = 200 г.
Решение. Сварочный ток
/ = 7^7 = 40-4 = 160 А.
Коэффициент расплавления
оср = Gp/It = 500/(160-0,5) = 6,25 г/(А-ч).
Коэффициент потерь
V = (Ср - GH/Gp ) • 100% = (500 - 200/500) • 100% = 60.
Коэффициент наплавки
осн = Gjlt = 200/(160-0,5) = 2,5 г/(А-ч).
Ответ'. оср = 6,25 г/(А-ч); = 60; осн = 2,5 г/(А-ч); I = 160А.
Задачи
1.	Определить скорость электрической дуговой сварки И, если
удельная масса наплавленного металла (стали) у = 7,85 г/см3, количество
175
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
металла, расплавляемого за единицу времени, G = 10 г, коэффициент
наплавки для электрода с различными покрытиями ан = 7-13 г/(А • ч),
коэффициент плавления ап = 15,2 г/(А ♦ ч), время горения дуги т = 1 ч,
площадь поперечного сечения сварочного шва FC UI = 1 см1 2.
2.	Найти эффективный КПД процесса нагрева металла сварочной
дугой, если известно: сечение электрода S = 20 мм2, сопротивление дуги
Лд = 5 Ом, эффективная тепловая мощность q3 = 20 ккал/с. Табличный
коэффициент к = 5.
3.	Определить напряжение дуги при сварке меди и скорость свар-
ки под флюсом расщепленным электродом, если диаметр электрода
d3 = 2,2 мм.
4.	Определить скорость электродуговой сварки, если известно: ко-
эффициент плавления ап = 10 г/ч, удельная масса наплавляемого метал-
ла (стали) у = 7,85 г/см3 4 5, количество расплавленного металла за единицу
времени 0= 1800 г/ч, время сварки т = 1 ч.
5.	Определить удельную мощность при сварке материала из конст-
рукционной стали, если известно: сила сварочного тока I = 400 А; плот-
ность тока при данной сварке i = 8 А/мм2, напряжение U = 31,25 В.
Вопросы для самопроверки
1. Когда в газовой среде возникает проводимость?
2. Что собой представляет электродуговой столб?
3. Каково устройство сварочного трансформатора?
4. Для чего служит дроссель сварочного аппарата?
5. Из каких элементов состоит сварочный выпрямитель?
176
Глава 8. ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
8.1.	Получение и применение низкотемпературной плазмы
Интенсивное развитие плазменной технологии началось в 50-х годах
прошлого столетия. Она продолжает активно развиваться и в настоящее
время, об этом свидетельствует большой поток патентной и научной ин-
формации, а также бурно расширяющиеся области ее промышленного ис-
пользования. Главной причиной развития плазменной технологии стало
развитие космической техники, которое вызвало необходимость создания
новых типов двигателей (в том числе плазменных), материалов и ориги-
нальных конструкций космических аппаратов, испытаний летательных
аппаратов в особых условиях полета, исследований в области термоядер-
ного синтеза, газодинамики при сверхвысоких скоростях, физики газового
разряда, химической технологии высоких режимных характеристик.
Плазменные технологии позволили создать не только новые материалы,
обладающие высокими физико-механическими свойствами (огнеупорно-
стью, твердостью, прочностью), но и технические устройства их эффек-
тивной обработки [3,19,28].
Резка с помощью плазмы позволяет резать с высокими скоростями
стали большой толщины, медь и ее сплавы, алюминий и другие черные
(нержавеющие) и цветные металлы (например, плазмотрон мощностью
100 кВт режет сталь толщиной 30 мм со скоростью 4 м/мин). Более того,
плазменная резка заготовки имеет высокую точность реза. Она широко
применяется в судостроении, на предприятиях тяжелого и атомного ма-
шиностроения, химической и электротехнической промышленности.
Сварка с помощью плазмы обеспечивает соединение деталей из
меди, латуни, бронзы, алюминия и его сплавов с очень высоким качест-
вом. Плазменная наплавка и напыление делают покрытие на поверхно-
сти деталей износостойким, жаропрочным и антикоррозионным. Пер-
спективным направлением использования плазменных потоков является
вакуумная плазменная технология с применением электромагнитных
ускорителей. В облако полученной в вакууме плазмы помещают деталь
и на нее подают отрицательный потенциал, положительные ионы выхо-
дят из объема плазмы, ускоряются электрическим полем и направляют-
ся к детали. Таким образом появляется возможность получить потоки
частиц, обладающие огромными скоростями (до 100 км/с) и энергиями
(до десятков тысяч электрон-вольт). Такие условия позволяют прово-
177
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
дить технологические процессы, обеспечивающие внедрение атомов на
поверхности детали в глубь кристаллической решетки металла.
В вакуумных плазмотронах может быть получена плазма всех из-
вестных металлов, сплавов, а также органических и неорганических ве-
ществ. Характерно, что в этих условиях плазма различных веществ может
вступать в активное химическое взаимодействие, которое другими спосо-
бами достичь невозможно.
Плазменные технологии в вакууме дают возможность успешно
решить следующие задачи:
•	нанесение сверхчистых слоев материалов, обладающих специ-
альными свойствами: магнитными, оптическими, эмиссионными,
сверхпроводящими и др.;
•	предохранение элементов конструкций защитными покрытиями
от воздействия агрессивных сред и высоких температур;
•	рабочее упрочнение поверхности деталей, ионное легирование
полупроводников;
•	получение многослойных структур на поверхности изделий
с высокими механическими и эксплуатационными свойствами;
•	получение пленочных монокристаллических структур со специ-
альными свойствами.
Плазменные технологии в вакууме позволяют существенно рас-
ширить ряд способов бесконтактной обработки материалов.
Плазменные технологии в химии включают три основные стадии:
1)	производство плазмы заданного состава и поддержание пара-
метров по температуре и давлению;
2)	введение компонентов различных веществ в любом состоянии
и обеспечение необходимого времени их взаимодействия;
3)	получение целевого одного или нескольких продуктов из зоны
взаимодействия.
Плазмохимические реакции осуществляются двумя способами —
это подача всех компонентов плазмы в зону электрического разряда или
подача реагентов в струю плазмы вне зоны разряда. Закалка и охлажде-
ние продуктов реакции обеспечивается введением в плазму вне зоны
разряда определенного количества какого-либо газа или жидкости,
а также охлаждаемых экранов.
Технологические плазменные процессы в химии характеризуются:
1)	высокими температурами и большими скоростями процессов
(время контакта - 102—105 с);
178
Глава 8. Плазменные технологии
2)	одноразовостью плазмохимических процессов, например, полу-
чения:
пигментного оксида титана для производства белил:
TiCl4 + О2 (плазма) ТЮ2 + 2С12 — Qi;
ацетилена для химической промышленности:
2СН4 + Н2 (плазма) —> С2Н2 + 4Н2 — Q2;
оксидов азота для производства удобрений:
О2 (плазма) + N2 (плазма) —> 2NO — Q3;
чистых металлов из их оксидов:
МеО + Н2 (плазма) Me + Н2О — Q4;
3)	возможностью применения в процессах специфического сырья
(природный газ, воздух, сырая нефть, тугоплавкие металлсодержащие
минералы);
4)	высокой чистотой получаемых в плазме как моно-, так и компо-
зиционных веществ. Например, водород и хлор, являясь побочными
продуктами реакции, представляют не меньшую ценность для промыш-
ленного производства.
Одним из перспективных энергоносителей является струя плазмы
водяного пара для получения продуктов из органических веществ. На-
пример, для получения оксидов азота, применяемых в производстве
азотных удобрений, используется воздушная плазма температурой
3 000-3 500 К при давлении (20-30) • 104 Па, охлаждаемая при закалке
со скоростью 108 К/с до температуры 2 000-1 800 К и остывающая да-
лее в теплообменниках.
Способы получения плазмы классифицируются следующим об-
разом:
1)	взрыв проводника в электрической цепи;
2)	электрическая искра;
3)	высокочастотный факельный разряд;
4)	коронирующий разряд;
5)	дуговой разряд.
С точки зрения технологии, наиболее удачными оказались спосо-
бы получения плазмы с помощью высокочастотного и дугового разря-
дов, которые имеют ряд преимуществ:
179
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
•	возможность получения плазмы длительное время с высоким
КПД из твердых, жидких и газообразных сред различного химического
состава;
•	получение плазмы в вакууме и при высоких давлениях;
•	использование обычных источников питания.
С целью получения плазмы в плазмотронах применяют различные
газы. Плазма может быть одно- и многокомпонентной. Для получения
однокомпонентной плазмообразующей среды применяют аргон, гелий,
азот и водород. Опытным подбором состава многокомпонентной плаз-
мообразующей среды в реакторе плазмотрона можно получить любую
атмосферу: окислительную, восстановительную или нейтральную. Глав-
ным тепловым параметром плазмы является ее энтальпия - количество
теплоты, содержащееся в единице ее массы или объема.
Зависимости удельной энтальпии Н от температуры азота, водоро-
да и аргона показаны на рис. 8.1 при атмосферном давлении. Из анализа
графиков следует:
1) энтальпия двухатомных газов при температурах (4—8) • 103 К за
счет энергии, пошедшей на диссоциацию молекул, превышает энталь-
пию одноатомных газов. Например, при Т = 8 • 103 К энтальпия азота
почти в 5 раз больше, чем энтальпия аргона;
2) в случаях использования плазмы в нагревательных целях более
эффективно использование высокоэнтальпийных плазмообразующих
газов.
Н, Дж/моль
Рис. 8.1. Зависимость удельной энтальпии плазмообразующих газов от тем-
пературы при атмосферном давлении: 1 — водород; 2 - азот; 3 — аргон
180
Глава 8. Плазменные технологии
Рис. 8.2. Зависимость коэффициента теплопередачи от температуры:
1 - для водорода; 2 — для гелия; 3 — для азота; 4 — для аргона
Рассмотрим характеристики плазмообразующих газов.
Аргон обладает низкой энтальпией, поэтому его не применяют
в качестве однокомпонентной плазмообразующей среды. Аргон являет-
ся одним из наиболее дорогостоящих газов и применяется лишь в тех
случаях, где главную роль он играет как инертный газ.
Азот чаще всего применяется в качестве однокомпонентной плаз-
мообразующей среды, ввиду его высокой теплопроводности и теплоем-
кости при высоких температурах. Поэтому в атмосфере азота электри-
ческий разряд дает наибольший эффект в процессе преобразования
электрической энергии в тепловую.
Гелий показывает более высокие энергетические характеристики,
чем аргон. Однако дефицит и высокая стоимость гелия ограничивают
его использование в плазменных установках. Он находит применение
как добавка к аргону для улучшения эффективности нагрева в инертной
атмосфере плавильных печей.
Водород - один из самых высокоэнтальпийных плазмообразую-
щих газов. Напряженность электрического поля в его дуге в несколько
раз выше, чем в аргоновой. Теплопроводность водорода существенно
выше теплопроводности других газов. Чистый водород при высоких
температурах агрессивен по отношению к электродам плазмообразую-
щего аппарата и поэтому применяется в смеси с аргоном.
Одной из главных характеристик плазмы является зависимость ко-
эффициента теплопередачи а от температуры. Из анализа графиков,
приведенных на рис. 8.2, следует, что процессы диссоциации молеку-
лярных газов способствуют повышению теплоотдачи от плазмы при ее
181
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
охлаждении. При работе со сложными плазмообразующими смесями,
для достижения оптимальных параметров плазмы по энергетическим
показателям, надежности горения электрической дуги и устойчивости
электродов, подбирают не только нужный состав компонентов смеси, но
и их соотношения.
Электротехнический аппарат, в котором осуществляется нагрев
плазмообразующей среды электрическим разрядом, называется плазмо-
троном.
Дуговые плазмотроны. Главными элементами дуговых плазмо-
тронов являются: электроды; разрядная камера, образующая поток
плазмы; система впуска плазмообразующего газа; система управления
дуговым разрядом. Всевозможные варианты конструктивного исполне-
ния этих компонентов и их комбинации позволили создать целый ряд
принципиальных схем плазмотронов.
Для достижения длительного ресурса работы электродных систем
дуговых плазмотронов электроды изготавливают из тугоплавких метал-
лов (С, Mo, W, Zr, Hf) или берут медный электрод, охлаждаемый водой
с большой площадью. Тугоплавкие электроды имеют малые размеры,
их запрессовывают или вваривают в медный электрододержатель. Элек-
троды из меди изготавливают в виде цилиндров, по внутренней поверх-
ности которых движется опорный конец электрической дуги.
В данном классе плазмотронов выделяют два типа, отличающиеся
способами стабилизации электрической дуги: водоохлаждаемой стенкой
и вихревым потоком жидкости или газа.
На рис. 8.3 показан плазмотрон, дуговой разряд которого горит
между электродами (—) и (+), разделенными водоохлаждаемой стенкой,
состоящей из медных секций, изолированных друг от друга теплоизоля-
ционными кольцами. Так как вследствие охлаждения стенки около нее
образуется слой холодного газа с низкой электропроводностью, а дуга
занимает лишь часть сечения канала, это приводит к принудительному
увеличению плотности тока в столбе дуги и существенному росту тем-
пературы плазмы.
В длинном канале без секций проходящий через него газ нагревается
и теряет диэлектрическую прочность. В это время происходит пробой
слоя нагретого газа между столбом дуги и водоохлаждаемой стенкой. Это
явление называется «шунтирование дуги стенкой». Шунтирование отри-
цательно влияет на работу плазмотрона: оно формирует падающую ВАХ
дуги, снижает температуру плазмы, мощность плазмотрона и его КПД.
182
Глава 8. Плазменные технологии
Принципиальная схема плазмотрона со стабилизацией дуги вихревым
потоком газа представлена на рис. 8.4. Газ, направляемый через тангенци-
альные каналы 6 в вихревую камеру 1, создает в канале плазмотрона вихре-
вой поток, по оси которого между электродами 2 и 4 горит электрическая
дуга 3. Вследствие высокой скорости процессов теплообмена газ нагрева-
ется, и плазма струей истекает из сопла через электрод 4. В вихревой каме-
ре и канале электрода 4 существует градиент плотности газа, так как ос-
новная часть его движется в пристеночной области. В результате столб ду-
ги «выталкивается» на ось электрода. Стабилизирующее действие газового
вихря сохраняется до тех пор, пока не прогреется весь газ и не увеличится
его проводимость или пока не угаснет тангенциальная составляющая ско-
рости газового потока. Под влиянием тангенциальной составляющей ско-
рости газового потока опорное пятно дуги в выходном электроде движется
по поверхности канала и сносится вниз по потоку осевой компонентной
скорости. Благодаря этому достигается долгий срок службы трубчатых
электродов плазмотрона. В плазмотронах с вихревой стабилизацией сни-
жение эрозии электродов может быть достигнуто за счет наложения на ра-
диальные участки дуги осевого магнитного поля. Конструктивная простота,
высокий тепловой КПД и длительный ресурс работы электродов обуслови-
ли широкое распространение плазмотронов данных типов.
Одной из модификаций плазмотронов данного класса является
плазмотрон с межэлектродными вставками (МЭВ). Конструкция дуго-
вой зоны такого плазмотрона представлена на рис. 8.5. Дуга горит меж-
ду электродами 8 и 12 в полости межэлектродных изолированных вста-
вок 3, 4. Сечение канала столба дуги ограничено диаметром внутренней
полости вставки.
183
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.4. Плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги: 1 — вихревая каме-
ра; 2 - внутренний стержневой электрод; 3 - столб дуги; 4 - выходной труб-
чатый электрод; 5 - соленоид; 6 — тангенциальные каналы
Рис. 8.5. Плазмотрон с секционированной межэлектродной вставкой ПН-6:
1 - катодный узел; 2 — корпус катода; 3 — секция МЭВ; 4 - переходная сек-
ция МЭВ; 5 - шихтопровод; 6 - цанга; 7 - корпус анода; 8 - анодное сопло;
9 - изолятор; 10 - сопло входное; 11 — газоформирователь; 12 — катод
Межэлектродные вставки позволяют фиксировать длину дуги, что
способствует получению больших падений напряжений на дуге, чем
в плазмотронах с самоустанавливающейся длиной дуги, при тех же зна-
чениях тока, расхода газа, давления и диаметра канала. Это позволяет
получить большую мощность и более высокую температуру плазмы: так
как диаметр столба дуги в таких плазмотронах ограничен, то удается
получить возрастающие ВАХ дугового разряда.
184
Глава 8. Плазменные технологии
Рис. 8.6. Схема плазмотрона с магнитной стабилизацией дуги: 1 — централь-
ный электрод; 2 - внешний электрод; 3 - соленоид; 4 - столб дуги; 5 - струя
плазмы; 6 — подвод газа; 7 - изолятор
В плазмотроне с поперечно обдуваемыми дугами и коаксиальным
расположением электродов регулирование характеристик дугового раз-
ряда осуществляется осевым магнитным полем, в котором движется как
проводник с током столб дугового разряда.
На рис. 8.6 приведена схема плазмотрона с магнитной стабилиза-
цией дуги. Между электродами 1 и 2 горит электрическая дуга 4. Маг-
нитное поле создается соленоидом 3. Газ протекает между электродами,
быстро нагревается в межэлектродном зазоре электрической дугой
и выходит в виде струи плазмы 5 через сопло.
Положение дуги в плазмотронах такой модификации зависит от
трех факторов: геометрического положения центрального электрода,
аэродинамических сил и формы магнитного поля. Дуга удерживается
при помощи магнитной катушки вблизи середины оси и под воздейст-
вием набегающего потока сносится в сторону его течения. Скорость
вращения дуги пропорциональна току разряда и напряженности маг-
нитного поля. При использовании центрального электрода, изготовлен-
ного из тугоплавкого материала, КПД плазмотрона составляет 0,52-0,76
и преимущественно зависит от потерь во внешнем электроде 2.
Плазмотрон с тороидальными электродами (рис. 8.7) относится
к системам с поперечным обдувом столба дугового разряда. Плазмообра-
зующий газ подается внутрь плазмотрона 4 и через дуговой разряд, дви-
жущийся в пространстве между кольцами электродов 6, выходит через
сопло 2 в виде потока плазмы 1.
185
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.7. Схема плазмотрона с торои-
дальными электродами: 1 - поток плаз-
мы; 2 — выходное сопло; 3 — соленоиды;
4 - корпус камеры; 5 - реечно-
шестеренчатый механизм; 6 - торои-
дальные электроды; 7 — экран
Рис. 8.8. Схема трехфазного
плазмотрона с цилиндриче-
скими стержневыми электро-
дами: 1 — изоляционный блок;
2 - электрод; 3 - дуговая
камера
Соленоиды 3, расположенные вокруг электродов, создают магнит-
ное поле в зазоре, причем вектор индукции магнитного поля перпенди-
кулярен току дуги. Данная конструкция работает на больших токах при
высоком внутрикамерном давлении.
На практике получили широкое применение трехфазные плазмо-
троны, представляющие собой конструкцию из трех однофазных уст-
ройств. Трехфазные плазмотроны бывают одно- и многокамерные.
В однокамерных модификациях все три дуги горят в одном объеме.
Стабильность дугового разряда достигается установкой тугоплавких
электродов, имеющих высокую эмиссионную способность при переме-
не полярности тока.
Схема трехфазного плазмотрона с одной камерой и стержневыми
электродами представлена на рис. 8.8. Между электродами горит трехфаз-
ная дуга, которая продольным дутьем газа вытягивается вдоль камеры.
Тангенциальная подача газа в камеру способствует устойчивому горению
дуги и защите стенок плазмотрона от ее термического воздействия.
Наряду с рассмотренными выше установками в производстве при-
меняются и плазмотроны, для питания которых используют постоянный
186
Глава 8. Плазменные технологии
и переменный ток, а также переменный ток промышленной и высокой
частоты. Мощность сопровождающей дуги в таких конструкциях состав-
ляет от 5 до 8 % от мощности силовой дуги. Изменение мощности в дан-
ных плазмотронах достигается изменением сопротивления в цепи пита-
ния при помощи регулируемых дросселей и, соответственно, изменением
напряжения источника питания и мощности дуги сопровождения.
Вольт-амперные и энергетические характеристики рассмотренных
плазмотронов зависят от многих факторов и являются нелинейными,
поэтому теоретическое исследование их затруднено или невозможно.
В связи с этим плазмотроны, как правило, разрабатываются по индиви-
дуальному техническому заданию.
Высокочастотные плазмотроны бывают индукционные, емкост-
ные, факельные, сверхвысокочастотные (СВЧ).
Конструкции плазмотронов высокой частоты (рис. 8.9) включают:
электромагнитную катушку-индуктор 7; электроды 6, 8 источника высо-
кочастотной энергии 7; разрядную камеру 3; узел ввода нагреваемого газа.
В высокочастотном индукционном плазмотроне (рис. 8.9, а) газ
нагревается вихревыми токами в переменном электромагнитном поле
индуктора 4 при частоте от 6,3 кГц до 20 МГц. В начале процесса для
получения проводящей среды в зоне индуктора создается зона высоко-
температурного проводящего газа с помощью внешнего источника, ко-
торым может служить дуговой разряд. Этот процесс получил название
«зажигание». После зажигания в плазмотроне возникает самоподдер-
живающийся стационарный безэлектродный разряд 2. Продувая газ че-
рез зону разряда, на выходе получают поток плазмы 5 с температурой
(7,5-15,0) • 103 К со скоростью 10-60 м/с.
Высокочастотный емкостной плазмотрон (рис. 8.9, б) имеет вы-
соковольтный 6 и заземленный 8 электроды, которые создают высоко-
частотное электрическое поле. Электроны, имеющиеся в газе, получают
энергию от высокочастотного электрического поля и при столкновениях
обмениваются ею с нейтральными атомами, повышая тем самым темпе-
ратуру газа.
В высокочастотном факельном плазмотроне (рис. 8.9, в) процесс
протекает при давлении, близком к атмосферному. Форма факельного
разряда напоминает форму пламени свечи. С наименьшими энергетиче-
скими затратами факельный разряд возникает на электродах с большой
кривизной поверхности при частотах электрического поля от 10 МГц
и выше.
187
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.9. Схемы высокочастотных плазмотронов: а - индукционный плазмо-
трон; б — емкостной плазмотрон; в - факельный плазмотрон; г - сверхвысо-
кочастотный плазмотрон; 1 - источник энергии; 2 - столб дуги; 3 - разряд-
ная камера; 4 - индуктор; 5 - поток плазмы; 6, 8 - электроды; 7 - волновод
В сверхвысокочастотном плазмотроне (рис. 8.9, г) энергия от ис-
точника питания в камеру разряда поступает по волноводу 7.
Высокочастотные плазмотроны нашли широкое применение в хи-
мической и металлургической промышленности благодаря высокой на-
дежности и длительному сроку работы без замены деталей (в течение
2-3 месяцев), возможности получения чистой плазмы таких газов, как
хлор и кислород, без засорения продуктами разрушения электродов. Но
пока перспектива их применения ограничена ввиду их низкого энерге-
тического КПД и более сложных источников питания, по сравнению
с дуговыми плазмотронами.
Энергетические характеристики плазмотронов зависят от целого
ряда факторов: параметров дуги и условий работы, рода плазмообра-
зующего газа, давления в разрядной камере, формы и размеров электро-
дов, напряженности управляющего магнитного поля, материала элек-
тродов, их температуры и эмиссионной способности, а также скорости
разрушения электродов. Учет одновременного влияния перечисленных
факторов крайне затруднен, поэтому для расчета ВАХ и отдельных раз-
меров электродов используют эмпирические формулы, которые полу-
чают экспериментальным путем. Уравнения для расчета ВАХ и КПД,
приведенные в литературных источниках, составлены для плазмотронов
определенных типов и схем и справедливы в строгих границах геомет-
рического подобия однотипных технологических режимов, стандартных
плазмообразующих сред и т. д.
188
Глава 8. Плазменные технологии
8.2. Плавильные установки
с применением плазмы
В металлургии применяется несколько типов установок для обра-
ботки и получения металлов с использованием плазмотронов. Самыми
перспективными из них являются те, в которых применяются плазмотро-
ны прямого действия, где анодом служит ванна расплавленного металла.
На этой технологии основаны плазменно-дуговые печи (ПДП) для вы-
плавки и переплавки металлов высокого качества.
Плавка дугой в плазменных печах подобна вакуумно-дуговой
плавке с нерасходуемым электродом, но плазменная дуга имеет ряд
преимуществ перед вакуумной: лучшая стабильность дуги, большая
длина дуги, защита металла от загрязнения вольфрамом электрода, бо-
лее высокие напряжение и мощность.
Состав плазменного потока может регулироваться, что дает воз-
можность поддерживать в печи заданную атмосферу. Так как парциаль-
ные давления кислорода, водорода и азота в плазменной печи, рабо-
тающей на инертном газе, малы, то условия дегазации жидкого металла
в ПДП приближаются к условиям дегазации в вакуумных печах, имею-
щих сложные и дорогостоящие вакуумные системы. В плазменно-
дуговых печах, в отличие от вакуумной индукционной, дуговой и элек-
тронной плавки, наблюдается меньшее испарение дорогостоящих ком-
понентов расплава.
Плазменно-дуговые печи, применяемые в металлургии, могут
быть двух типов: плавильная печь с огнеупорной футеровкой и печь для
переплава с водоохлаждаемым кристаллизатором.
При переработке металла в ПДП с огнеупорной футеровкой форма
печи и материал огнеупорной футеровки такие же, как у обычной дуго-
вой печи. Водоохлаждаемый медный анод - подовый электрод 5 монти-
руется заподлицо с подиной и контактирует с переплавляемым метал-
лом (рис. 8.10). Камера печи, в которой создан вакуум, заполняется вы-
текающим из плазмотрона 4 газом, и после выхода на рабочий режим
давления начинается процесс плавки.
Вначале плазменная дуга проплавляет в шихте узкий канал, и сте-
кающий вниз жидкий металл собирается на подине ванны, после чего
расплавляется весь металл. Дегазация и рафинирование металла интен-
сивно происходят на поверхности ванны в месте контакта жидкого ме-
талла с высокотемпературной струей.
189
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.10. Схема ПДП с керамическим тиглем: а - с одним плазмотроном
в своде; б - с плазмотронами, установленными в стенках; 1 — кожух;
2 - футеровка; 3 - свод; 4 - плазмотрон; 5 - подовый электрод
Рис. 8.11. Схема ПДП постоянного тока: 1 - электрододержатель; 2 - катод;
3 - сопло; 4 — корпус
Для плавки металла применяются плазмотроны постоянного и пе-
ременного тока различной мощности. Промышленные плавильные печи
емкостью 5, 10 и 30 т комплектуются плазмотронами постоянного тока
(рис. 8.11), работающими на прямой полярности. Главными ответствен-
но
Глава 8. Плазменные технологии
ними и теплонапряженными деталями плазмотрона считаются катод 2
и сопло 3, через кольцевой зазор между которыми вытекает плазмооб-
разующий газ. Вначале первичная дуга зажигается осциллятором между
катодом и соплом и потом сносится газом до соприкосновения с метал-
лом печи. После чего пусковая дуга гаснет и горит только рабочая дуга
между катодом и расплавом в потоке плазмы. Длина дуги и напряжение
на ней определяются размерами и конструкцией печи, а для плазмотро-
на существует только один рабочий параметр — ток дуги.
При переплаве металла с целью получения особо чистого состава
используются ПДП с кристаллизаторами (рис. 8.12). Переплавляемый
металл в виде штанги б подается равномерно с постоянной скоростью
и оплавляется одной или несколькими плазменными дугами. В этом
случае анодом является поверхность ванны жидкого металла в кристал-
лизаторе. Стекающий со штанги металл прогревается плазменной стру-
ей и распространяется по поверхности ванны. Затем металл рафиниру-
ется, охлаждается и затвердевшим вытягивается в виде слитка. Рабочее
давление в этих печах изменяется в широких пределах: от (1-3) • 105Па
до 1-10 Па.
Рис. 8.12. Схема ПДП для плавки в кристаллизаторе: 1 - слиток; 2 — кри-
сталлизатор; 3 - плазмотрон; 4 - корпус печи; 5 - механизм подачи и враще-
ния заготовки; 6 — переплавляемая заготовка; 7 — источник питания; 8 — ме-
ханизм вытягивания слитка
191
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Плазменные печи по сравнению с печами других типов обладают
следующими преимуществами: получение качественной поверхности
слитков; малая потеря металлом легирующих добавок (Cr, Al, Ti, Мп, Si
и т. д.); возможность улучшения качества металла газообразным азотом;
гибкая связь между мощностью дуги и скоростью плавления слитка, по-
зволяющая регулировать время нахождения металла в жидком состоянии.
Главными недостатками этих печей являются сложность конст-
рукции и высокая стоимость эксплуатации. С целью повышения эконо-
мичности плазменных печей создают плазмотроны с полыми катодами
и схемы установок с комбинированным питанием, как постоянным, так
и переменным током.
8.3. Плазменная резка и сварка металлов
Плазменная резка производится путем выплавления и испарения
металла в плоскости реза за счет энергии дуги и струи плазмы [3, 19, 28].
В энергетический баланс резки входит энергия дуги, химических
реакций плазмы с металлом, расход энергии на расплавление, перегрев,
испарение металла в плоскости реза, теплопередачу в твердый металл
и унос ее с отработавшим потоком плазмы. Отсюда следует, что плаз-
менную резку нужно вести с максимальными мощностью и скоростью.
Это условие выполнимо при оптимальном выборе тока, напряжения,
плазмообразующего газа и конструкции режущего плазмотрона.
Ширина реза, которая определяет экономические показатели про-
цесса, зависит от диаметра сопла плазмотрона, тока дуги и скорости пере-
мещения плазмотрона во время реза. При оптимальном соотношении ме-
жду толщиной металла, мощностью дуги, диаметром сопла и скоростью
резки струя плазмы проникает на всю толщину металла, а анодная область
дуги находится вблизи нижней кромки реза. Снижение мощности дуги,
так же как и увеличение скорости перемещения плазмотрона, вызывает
сужение полости реза. Необоснованное увеличение мощности и снижение
скорости перемещения плазмотрона ведет к увеличению ширины реза
и перегреву массы разрезаемого металла. С повышением мощности дуги
и скорости движения плазмотрона КПД плазменной резки достигает 90 %,
а тепловой КПД - 40 %. Для повышения мощности потока плазмы
в пределах расчетного тока дуги необходимо повысить линейный гра-
диент потенциала столба дуги, используя такие плазмообразующие
192
Глава 8. Плазменные технологии
газы, как азот, водород, воздух, углекислый газ, пары воды, а также
сжатие столба дуги соплом плазмотрона.
Плазмотрон (рис. 8.13, а), предназначенный для резки с газовой
стабилизацией дуги, имеет стержневой вольфрамовый (иногда цирко-
ниевый) электрод 3, соосно расположенный в полости сопла. Стабили-
зирующий газ подается между ними и направляет поток плазмы 1 в глу-
бину металла 4. Технологический процесс резки предусматривает опре-
деленную последовательность операций: подается вода, охлаждающая
сопло и электрод; устанавливается расчетная подача газа; включается
дежурная дуга от источника питания 5, величина тока которой ограни-
чивается резистором 6; зажигается факел плазмы. При касании металла
детали дежурным факелом замыкается цепь силовой плазменной дуги,
после чего начинается процесс резки. При внезапном исчезновении ре-
жущей дуги дежурная дуга возобновляет процесс горения. При работе
с тонким металлом применяется плазменная струя без включения ме-
талла в электрическую цепь (рис. 8.13, б).
Плазменные установки разных типов работают на токах до 1 000 А
при напряжении холостого хода до 350 В, обеспечивая при этом ско-
рость резки от 3 до 10 м/мин.
При автоматизированной машинной резке применяется плазморе-
жущая аппаратура для мобильных машин и ручной резки. Плазмотроны
данного назначения имеют низкое напряжение (до 180 В) холостого
хода источника питания и ток до 400 А.
Рис. 8.13. Схема резки металла плазменной дугой (а) и плазменной струей (б):
1 - струя плазмы; 2 - дуга; 3 - катод; 4 - разрезаемый материал; 5 - источ-
ник питания; 6 - сопротивление, ограничивающее ток дежурной дуги
193
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.14. Схема проведения плазменной сварки: а - электрическая схема:
1 — сварочный источник питания; 2 — высокочастотный генератор; 3 — непла-
вящийся электрод; 4 - плазмообразующий газ; 5 - охлаждающая вода;
6 - защитный газ; 7 - сопло для защитного газа; 8 - изделие; R - сопротив-
ление; С — емкость; б — схема газовых потоков, окружающих плазменную
дугу: 1 — наружный холодный поток; 2 — внутренний горячий поток;
3 - столб дуги; в - схема плазменной дуги: 1 - плазмообразующий газ;
2 - фокусирующий газ; 3 - защитный газ; 4 - очертание факела при отсутст-
вии фокусирующего газа
Конструкция плазмотронов, собранная по схеме рис. 8.13, а, явля-
ется основной при плазменной резке. Для нее рассчитывают рабочий
ток, а напряжение дуги формируется в зоне реза. Из-за этого ВАХ дуги
будет падать, а ИП имеют ВАХ вертикальные или крутопадающие.
Сварку металлов с помощью плазмотронов осуществляют по схе-
ме, показанной на рис. 8.14. Высокая мощность плазмотрона и динами-
ческое воздействие плазмы дают возможность сваривать детали разной
толщины без присадочной проволоки, а также детали большой толщины
за один проход, не разделывая кромки.
Наличие вторичного фокусирующего газового потока позволяет
сконцентрировать нагрев на малой площади зоны сварки. Применяемые
газы: аргон, смеси аргона с гелием или аргона с водородом - защищают
сварочный шов от атмосферного воздуха.
Конструкция установки по схеме рис. 8.14, а включает источник
питания 1 — трехфазный двухполупериодный выпрямитель с регулиро-
ванием сварочного тока и крутопадающей ВАХ; высокочастотный гене-
ратор 2 - осциллятор - для возбуждения дежурной дуги между внут-
ренним соплом и электродом 3 в потоке аргона. Ток дежурной дуги
194
Глава 8. Плазменные технологии
регулируется сопротивлением R, а емкость С предназначена для облег-
чения пробоя межэлектродного промежутка. Процесс сварки начинается
с касания свариваемого изделия 8 светящейся частью струи плазмы.
В этот момент по цепи начинает течь сварочный ток, разогревающий
металл 8 в точке воздействия плазмы, образуя сварочную ванну.
При прежней технологии, когда в плазменную горелку подавался
только один газ (рис. 8.14, б), кроме чрезмерно большого расхода арго-
на страдало и качество сварки. Столб же дуги 3, окруженный потоками
холодного газа 2 и 1, может произвольно перемещаться по поверхности
сварочной зоны.
С целью более четкого направления плазмы в точку сварки и более
глубокого проникновения столба дуги в сварочный шов с одновремен-
ным снижением расхода аргона применяются горелки, выполненные по
схеме рис. 8.14, в. В этой конструкции, наряду с аргоном 1 для зажига-
ния дежурной дуги и образования плазмы, подается и фокусирующий
более дешевый газ 2 для сжатия и фокусировки плазменной струи. Дан-
ный прием значительно повышает температуру плазмы и положительно
влияет на процесс сварки. Защитный газ 3 исключает возможность по-
падания в зону сварки нежелательных элементов из окружающей среды.
Размеры электродов рассчитывают в зависимости от тока дуги и расхо-
да газов, а расстояние от горелки и детали выбирают от 8 до 15 мм, ис-
ходя из условия формирования качественного сварочного шва.
В конструкции источника питания предусмотрена блокировка, ис-
ключающая включение плазмотрона без подачи охлаждающей воды
и газов. Источником питания обеспечивают сварочный ток до 600 А при
напряжении дуги 60-80 В и скорость сварки, например алюминиевого
сплава толщиной до 4 мм при токе 250 А и расходе плазмообразующего
газа 5 л/мин до 70 м/ч.
8.4. Плазменное нанесение покрытий
Как правило, нанесение защитных жаропрочных и других покры-
тий осуществляется методами напыления и наплавки или с помощью
гальваники. При напылении плазмой частицы металла расплавляются
и разгоняются до высоких скоростей, а деталь, предназначенная для на-
несения покрытия, разогревается до высокой температуры. При дости-
жении на подложке температуры плавления процесс напыления перехо-
дит в наплавку.
195
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Рис. 8.15. Схемы распыления
нейтральной («) и токоведу-
щей (б) проволоки дуговой
плазмой
Рис. 8.16. Схема ввода напыляемого
порошка в столб плазменной дуги
(а) и плазменную струю (б)
Напыляемый на поверхность детали материал может представлять
собой электропроводную проволоку или стержни, а также неэлектро-
проводный в холодном состоянии порошок.
В процессе плазменного нанесения покрытий из расплавляемых
проволоки или прутков металла образуется двухфазный напыляющий
поток (плазма и наносимый материал в жидком состоянии), работаю-
щий по схемам, изображенным на рис. 8.15.
При движении к подложке микроскопические капли расплавлен-
ного материала остывают, но предварительный перегрев позволяет им
достичь подложки в жидком состоянии. Нанесение неэлектропроводных
материалов осуществляется путем ввода порошков в дугу разрядного
канала плазмотрона или в участок плазменной струи сразу же за дугой
(рис. 8.16). Способ введения порошка зависит от его теплофизических
свойств. Так, тугоплавкие порошки вводятся в зону дуги, а легко рас-
плавляемые — сразу в струю плазмы. И тот и другой прием влияет на
время пребывания частицы в зоне высоких температур и, следователь-
но, на уровень теплового воздействия на нее.
При плазменной наплавке изделие и наносимый материал вклю-
чают в электрическую цепь через токоограничивающие сопротивления
(рис. 8.17). Подача материала и скорость перемещения горелки согла-
суются с тепловой мощностью плазменной струи и находятся под по-
стоянным контролем.
196
Глава 8. Плазменные технологии
Рис. 8.17. Схема наплавки с присадочной проволокой: а — изделие под током;
б - изделие обесточено; 1 - горелка; 2 - ввод плазмообразующего газа; 3 - ка-
нал для ввода защитного газа; 4 — ограничительное сопротивление; 5 - источ-
ник питания; 6 - балластное сопротивление; 7 — присадочная проволока
Совмещенные схемы установок плазменного напыления и наплавки
обеспечивают получение прочного соединения с подложкой слоя на-
плавленного материала. Размеры наносимого покрытия можно регулиро-
вать в широких пределах (по ширине — от 8 до 45 мм, по глубине — от 0,5
до 6 мм) путем изменения количества присадочного материала и ампли-
туды движения плазмотрона.
Главными узлами установок плазменного нанесения покрытий
считаются дозаторы наносимого материала, источники питания, систе-
ма газоснабжения и охлаждения плазмотрона.
Следует отметить наличие большого количества других плазмен-
ных процессов, в которых осуществляется модификация материала
(сфероидизация частиц, травление и испарение поверхности). Познако-
миться с этими процессами можно в специальной литературе.
> Как было сказано выше, развитие космической техники поста-
вило перед учеными задачу создать новые материалы, обладающие таки-
ми свойствами, которые невозможно было достичь традиционными спо-
собами. Усилия исследователей были направлены на освоение плазмен-
ных технологий, интенсивное развитие которых позволило создать новые
материалы, обладающие высокими технологическими свойствами; осуще-
ствлять плазменную резку, сварку, плавку материалов и др. Но всё же
некоторые технологические приемы осуществить при помощи плазмы
197
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
не удавалось. Их стало возможным реализовать с помощью технологий
электронно-лучевого нагрева, с которыми и предстоит познакомиться
в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить напряжение U струйного однокамерного
плазмотрона, с воздухом в качестве плазмообразующего газа, перемен-
ного тока, мощностью Р = 3 500 кВт и сопротивлением R = 10 Ом. Ра-
диус электродуговой камеры г = 0,175 м. Расход плазмообразующего га-
за G = 0,5 кг/с, давление на выходе камеры р = 201 Па. Параметры ВАХ
дугового струйного плазмотрона: константа А = 3930, а = 0,18, 0 = 0,28,
У = 0,2.
Решение. Напряжение плазмотрона определяют по формуле
где I — переменный ток, А, вычисляется из выражения мощности плаз-
мотрона
P = I2R,
откуда
/7_ /3 500
~\R V 10
= 18,7А;
d- диаметр плазмотрона;
7 = 2г = 2-0,175 = 0,35м.
Получаем
/7 = 3930- --------
^0,5-0,35 )
Ответ'. U= 5,9 кВ.
<0,35j
(201 • 0,35)°’2 =5,9 кВ.
198
Глава 8. Плазменные технологии
Пример 2. Определить ЭДС плавильного плазмотрона. Габари-
ты разрезаемого металла: ширина а = 1,8 м; длина b = 1 м. Плотность
тока j = 10 кА/м2, сопротивление материала г = 50 кОм.
Решение. Площадь разрезаемого металла
S = ab = 1,8-1 = 1,8 м2.
Величина тока
7 = 75 = 10-1,8 = 18 кА.
Электродвижущая сила плавильного плазмотрона
Е = 1г = \,8-50 = 90 кВ.
Ответ'. Е = 90 кВ.
Задачи
1.	Определить толщину металла при резке дуговой плазмой, если
известно: установка разрезает металл со скоростью 5 м/мин, энтальпия
расплавленного металла S = 0,8, тепловой КПД - 40 %, ширина реза
b = 0,01 м, диаметр электрода d3 = 0,2 м, падение напряжения на аноде
At/=15B, электрический потенциал <р = 4,77 В, выделяющаяся мощ-
ность на аноде Ол = 1 200 Вт, сумма анодного и катодного падения на-
пряжения — 28 В.
2.	Найти напряженность Е поля плазмы, если известно: масса
электрона те = 9,11-10-31кг, электропроводность плазмы <зе= 108 Кл/см,
концентрация электронов в плазме пе = 109 1/г, заряд электрона
е = 1,6-10~19Кл, направленная скорость электрона v = 106 м/с, плаз-
менная частота со = 19 с-1, сила тока в плазме 7=10 кА.
3.	Определить скорость резки одного листа алюминия плазмотро-
ном ПВР-402, если известно: площадь сечения листа $ = 500 мм2, его
длина а = 100 мм, рабочий ток дуги 7 = 200 А, рабочее напряжение ду-
ги U = 350 В, потери тепловой мощности в плазмотроне Рп = 5 кВт,
плотность металла у = 0,9 г/мм3, приращение теплосодержания металла
AQ = 50 К/с, интенсивность теплопередачи в металл qT = 5 000 ккал/с,
толщина реза h = 3 мм.
4.	Определить длину конусного участка столба дуги плазменной
дуговой печи с керамическим тиглем, если jK = 2,5 -107 A/м2, темпера-
тура в начальный момент t0 = 2 000 К.
199
Часть II. Установки дугового электрического нагрева
Вопросы и задания для самопроверки
1.	Какие процессы можно осуществлять с помощью плазменных
установок?
2.	Плазму каких материалов можно получить в вакуумных плаз-
менных установках?
3.	Какие актуальные задачи могут быть решены методом плазмен-
ных технологий?
4.	Приведите примеры одностадийных плазмохимических техно-
логий.
5.	Нарисуйте схему плазмотрона со стабилизацией дуги стенкой.
6.	Перечислите технологии плазменного нанесения покрытий.
200
Часть III. ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО
НАГРЕВА
Глава 9. УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА
9.1.	Теоретические основы электронно-лучевого нагрева
Электронно-лучевой нагрев (ЭЛН) широко применяется при обра-
ботке тугоплавких и химически активных металлов, сварке, испарении
металлов и оксидов, выращивании монокристаллов, металлизации и на-
пылении и т. д. [3, 7, 19, 26].
К основным преимуществам электронно-лучевого нагрева можно
отнести: возможность в широких пределах плавно изменять удельную
энергию в зоне нагрева; большую удельную мощность в месте взаимо-
действия электронного луча с обрабатываемым изделием или материа-
лом; возможность с помощью магнитной системы управлять простран-
ственным положением луча; возможность использования вакуума как
рабочей среды; возможность получения малоразмерной (прецизионной)
зоны воздействия электронного луча на обрабатываемый материал.
Главными недостатками данного вида нагрева считаются наличие
высокого вакуума, сложность изготовления, эксплуатации и высокая
стоимость электронно-лучевого оборудования.
Электронный луч, используемый в качестве нагревательной установ-
ки, представляет собой направленный поток электронов, переносящих
свою энергию от излучателя к изделию. Ускоренные электроны, получив-
шие кинетическую энергию, пропорционально их скорости передают ее
веществу обрабатываемой поверхности. Ввиду того что электроны отдают
свою энергию при столкновении с молекулами и атомами вещества, в ра-
бочей камере должен поддерживаться глубокий вакуум, который необхо-
дим и для защиты катода от бомбардировки положительными ионами.
Покинувший катод электронной трубки электрон ускоряется
в электрическом поле и приобретает энергию, эВ,
We = mev2/2 = е„и,	(9.1)
где те - масса электрона, кг; о - скорость электрона, м/с; во - заряд
электрона, Кл; U - пройденная электроном разность потенциалов, В.
201
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Испускаемые катодом электроны получают ускорение в электриче-
ском поле и формируются электромагнитными полями в электронный пу-
чок или луч. Мощность электронного луча, Вт, определяют по формуле
(9-2)
Здесь /, - ток луча, A; Uy - ускоряющее напряжение, В.
Удельная мощность луча, Вт/мм2,
Ру.л=Р./5„=1лиу/(п^),	(9.3)
где У, - поперечное сечение луча на обрабатываемой поверхности, мм2;
гл - радиус луча на обрабатываемой поверхности, мм.
Сформированный пучок электронов проходит через рабочую ка-
меру и попадает на поверхность обрабатываемого объекта. Скорость
электронов при попадании на поверхность детали определяется сле-
дующим образом:
и = 72е0С/у/те.	(9.4)
Глубину проникновения электронов (м) с энергией 5—100 эВ
в электронно-лучевых установках (ЭЛУ) определяют по формуле Шон-
ланда
* = С7уУ-2,1-10-17,	(9.5)
где у — плотность вещества (мишени), кг/м3.
Из выражения (9.5) следует, что в ЭЛУ глубина проникновения
электронов и протяженность зоны интенсивного выделения тепловой
энергии составляет около 10~6 м и для твердых тел нагрев является по-
верхностным. Мощность рентгеновского излучения в энергетическом
балансе ЭЛУ очень мала, однако его биологическое воздействие для че-
ловека является опасным. Поэтому при разработке и изготовлении ЭЛУ
необходимо предусмотреть мероприятия по защите обслуживающего
персонала от рентгеновского излучения.
Представляют научный интерес явления, связанные со вторичной
эмиссией электронов с бомбардируемой электронным лучом поверхно-
сти металла. Так, например, перегретая (на 200-1 000 К) выше темпера-
туры плавления поверхность ванны расплавленного металла является
мощным источником термоэлектронной эмиссии. Ее мощность, уноси-
мую потоком электронов, вычисляют по формуле
202
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
Л,=Л,Л0(<Р + 2^),	(9.6)
где Дэ - ток термоэлектронной эмиссии, А; е0 - заряд электрона, эВ; ср -
работа выхода электрона, эВ; к - постоянная Больцмана; Т - температу-
ра, К.
Хотя мощность термоэлектронной эмиссии мала, ее ток, поглощае-
мый стенками камеры, может достигать десятков и сотен ампер. Поэтому
заземление ЭЛУ должно быть надежным. Определенная часть электро-
нов луча отражается от поверхности металла и поглощается стенками
камеры, что приводит к существенным потерям мощности электронного
луча (для легких металлов - 5-10 %, для тяжелых - 15-25 %) и значи-
тельно снижает энергетический баланс установки.
В рабочей камере ЭЛУ протекают сложные процессы взаимооб-
мена электронов луча с атомами остаточных и выделяющихся во время
плавки и нагрева газов, с атомами металлических паров, находящихся
над расплавленным металлом, и т. п.
9.2.	Конструктивные особенности
электронно-лучевых установок
Все конструкции ЭЛУ имеют набор систем, которые сходны по
своему назначению и принципу действия. Их можно разделить на два
комплекса - энергетический и электромеханический.
Энергетический комплекс состоит из электронной пушки с бло-
ками питания и управления лучом. Электронной пушкой является уст-
ройство, котором пучок электронов под воздействием электрического
и магнитного полей в луч, ускоряемый электрическим полем, выводится
через анод и направляется на нагреваемое изделие или поверхность.
Одним из главных узлов электронной пушки является катод. Его из-
готовляют из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), оксидов редкоземельных
металлов (Zr, La). Катоды прямого нагрева применяются при небольших
токах эмиссии (до 20 мА), катоды косвенного нагрева - при больших (до
200 мА). Заданная плотность электронного луча находится путем подбора
конфигурации катодного электрода и анода, так как после прохождения
анода электроны движутся в пространстве вне электрического поля. Вви-
ду того что электронный луч обладает объемным пространственным заря-
дом, в результате столкновения электронов нарушается фокусировка луча.
203
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Поэтому после электростатической фокусировки луч дополнительно фо-
кусируется электромагнитной линзой, которая представляет собой катуш-
ку в магнитопроводе, запитанную от выпрямителя, обеспечивающего ус-
тойчивое напряжение и небольшую пульсацию.
Электромеханический комплекс включает вакуумную рабочую
камеру, систему позиционирования и перемещения заготовки, систему
наблюдения за ходом процесса, систему защиты от рентгеновского из-
лучения.
Вакуумная камера является базовым элементом ЭЛУ, наиболее
важным и сложным узлом электромеханического комплекса. Конструк-
ция определяется видом технологического процесса. Камера должна
быть герметичной и механически прочной. Материал, из которого она
изготовлена, должен надежно поглощать рентгеновское излучение.
Главная функция вакуумной камеры - создание и поддержание
в рабочем объеме и в электронной пушке необходимого вакуума.
Система позиционирования и перемещения заготовок определяется
видом операции. Самым простым устройством, применяемым при элек-
тронно-лучевой плавке, можно считать устройство вытягивания слитка.
Самые сложные системы бывают задействованы при размерной обра-
ботке: они обеспечивают 5—6 видов различных перемещений с очень
высокой точностью - в 1-5 мкм.
Электронные плавильные установки. Многочисленным семей-
ством ЭЛУ являются плавильные установки, предназначенные в ос-
новном для переплавки стали, молибдена, ниобия и других тугоплав-
ких и химически активных металлов. Их мощность варьирует от 50 до
2 000 кВт.
Одна из простых схем электронной плавильной установки с коль-
цевым катодом и автоэлектронным нагревом, в которой анодом явля-
ется сам расплавляемый металл, представлена на рис. 9.1. Катодом К
служит нагретая до 2 500 К током вольфрамовая спираль. Анодом А яв-
ляется расплавляемый электрод и жидкометаллический слой в верхней
части слитка, образующегося в кристаллизаторе. Катод окружает мо-
либденовый экран Э, находящийся под тем же потенциалом. Покидаю-
щие катод электроны отталкиваются экраном и в виде кольцевого пучка
направляются на электрод и в жидкометаллическую поверхность слит-
ка. Нижняя часть электрода расплавляется под ударами бомбардирую-
щих его электронов. Расплавленный металл каплями стекает в ванну.
204
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
Рис. 9.1. Схема ЭЛУ с кольцевым
Рис. 9.2. Схема ЭЛУ с радиаль-
ными пушками
катодом
При изменении положения электрода будет изменяться и количе-
ство попадающих на него электронов. Если электрод приподнять так,
что прекратится его плавление, тогда металл в ванне будет перегревать-
ся или держаться при неизменной температуре.
Установки с кольцевым катодом работают на ускоряющем напря-
жении от 5 до 15 кВ. Главными их преимуществами являются простота
конструкции и высокая проводимость: это позволяет получать в них
большие токи пучка при малом напряжении. Их недостатком является
нахождение катода в зоне камеры, поэтому при газовыделении с по-
верхности ванны он оказывается в зоне повышенного давления. Поки-
нувшие катод электроны сталкиваются с атомами газов и ионизируют
их. Образующиеся при этом положительные ионы направляются к като-
ду и адсорбируются на нем, что сильно снижает его эмиссионную спо-
собность и сокращает срок службы. По этой причине плавильные ЭЛУ
с кольцевым катодом имеют ограниченное применение для переплава
металлов с незначительным выделением газа.
Установки ЭЛУ с радиальными пушками (рис. 9.2) в большей мере
лишены этого недостатка. В них вокруг электрода по радиусу установле-
но несколько катодов и анодов с отверстиями, через которые движущие-
ся электроны проходят к концу электрода и к ванне. В данной конструк-
ции анод отделен от жидкого металла, хотя и тот и другой находятся
205
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
под одинаковым потенциалом. Анод служит направляющим и форми-
рующим устройством. В этом случае система «анод - катод» соответст-
вует понятию электронной пушки.
Блок ЭЛУ, в котором находятся электронные пушки, отделен от
плавильной зоны перегородкой с отверстиями для электрода и пучка
электронов. Верхняя и нижняя части камеры имеют обособленные сис-
темы откачки газов. При чрезмерном выделении газов из ванны некото-
рая часть паров металла попадает через отверстия в верхнюю камеру
и удаляется из нее насосом. Радиальные пушки ЭЛУ работают при низ-
ком ускоряющем напряжении (около 15 кВ), поэтому они имеют малую
мощность. Один из путей повышения мощности всей ЭЛУ - увеличение
количества радиальных пушек.
В качестве плавильных установок наибольшее распространение по-
лучили ЭЛУ с аксиальными пушками (рис. 9.3). В отличие от радиальной
аксиальная пушка дает возможность получить сильно сфокусированный
электронный луч. В ней заложено два катода. Основной катод К, изго-
товленный в виде массивной вольфрамовой пластины специальной фор-
мы, разогревается до 2 500 К электронной бомбардировкой от вспомога-
тельного катода Ki, который выполнен в виде вольфрамовой спирали, на-
греваемой током. Между катодами прикладывается напряжение до
5,0 кВ. Вспомогательный катод подключен к отрицательному потенциа-
лу по отношению к основному, и, следовательно, в данном случае катод
является анодом для вспомогательного катода. Анод А имеет специаль-
ную форму для создания в зоне между ним и катодом такого электриче-
ского поля, которое смогло бы сфокусировать электронный пучок, пол-
ностью проходящий через отверстие анода. Минуя анод, электронный
луч попадает в лучепровод Л, соединяющий катодную камеру с плавиль-
ной, в которой находится переплавляемый электрод 3. Его можно пере-
мещать горизонтально, а также вводить под пучок или выводить из него.
При этом часть электронов луча может проходить мимо электрода и по-
падать на поверхность ванны жидкого металла, находящейся в кристал-
лизаторе в нижней части камеры.
Лучепровод предназначен для защиты катодного узла от прорыва
в него газов из плавильной камеры. Для этой цели в лучепроводе преду-
сматривают откачивающий насос. Кроме этого имеются насосы для от-
качивания газов и паров из катодного узла и рабочей камеры. В луче-
проводе производится дополнительная магнитная фокусировка потока
с помощью магнитных линз М, поскольку, пройдя через лучепровод,
электронный пучок расширяется.
206
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
Рис. 9.3. Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой
Электронно-лучевые установки с аксиальными пушками работают
при ускоряющем напряжении до 40 кВ.
Электронные сварочные установки в отличие от плавильных
работают с особо остросфокусированным лучом при ускоряющем на-
пряжении от 70 до 100 кВ.
Электроснабжение ЭЛУ. Для работы ЭЛУ применяются высоко-
вольтные источники питания постоянного тока. Они включают повы-
шающие трансформаторы и высоковольтные выпрямители.
Из всех конструкций электрических печей ЭЛУ являются самым
сложным комплексом электротехнического оборудования. В системах
электроснабжения ЭЛУ электрические цепи делят на основные
и вспомогательные. Основными считают цепи накала катода, питания
преобразователя постоянного тока, а также цепи питания, получения,
207
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
измерения и контроля вакуума; вспомогательными - цепи фокусировки,
отклонения и развертки электронного луча. От работы системы питания
ЭЛУ и обеспечения вакуума зависит качество переплавляемого металла.
9.3.	Применение электронно-лучевого нагрева
Технологические операции электронно-лучевой обработки можно
подразделить на четыре группы: плавка (технологические операции
плавки в вакууме, локального переплава), испарение (испарение в ва-
кууме, размерная обработка электронным лучом), термообработка (без
изменения агрегатного состояния вещества), сварка [17, 19, 28].
Для оценки экономической эффективности технологических про-
цессов, связанных с нагревом веществ в ЭЛУ, необходимая удельная
энергия электронного луча определяется по формуле
/V = 3.47/. 7'----------!-----
уд
(9.7)
где У - удельная энергия для образования ванны расплава диаметром ds,
равным толщине металла, м; Z — коэффициент теплопроводности метал-
ла, Вт ♦ м/К; Тпл - температура плавления, К; do - диаметр участка, на
краях которого температура остается неизменной.
Из выражения (9.7) следует, что параметры, определяющие разме-
ры участка, обрабатываемого электронным лучом, определяются тепло-
проводностью и температурой плавления.
Плавка электронным лучом в вакууме целесообразна тогда, ко-
гда нужно получить сверхчистые металлы. Она имеет преимущества
перед плавкой в вакуумных электрических печах других типов, так как
позволяет производить рафинирование жидкого металла в кристаллиза-
торе после прекращения плавления электрода, а также осуществлять
другие физико-химические процессы, которые при иных способах плав-
ки не могут проходить полностью или не протекают вовсе. Переплав-
ляемый материал может быть применен в любой форме (шихта, пруток,
лом, спеченные штабики, губка).
Очень важное значение при электронно-лучевой плавке имеет
вакуум:
1)	в нем осуществляется интенсивный процесс дегазации, который
значительно улучшает механические свойства металла, особенно пла-
208
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
стичность. Многие сплавы на основе вольфрама, молибдена, ниобия
и других химически активных металлов нашли широкое применение
только благодаря тому, что их выплавляют в вакууме;
2)	некоторые вредные примеси (нитриды, карбиды, оксиды) при
нагреве в вакууме разлагаются, за счет этого осуществляется вакуумное
рафинирование переплавляемого металла;
3)	во время плавки металла в вакууме постоянно происходит уда-
ление газообразных продуктов из зоны реакции, в результате чего рав-
новесие химических реакций сдвигается вправо, т. е. резко активизиру-
ются раскислительные реакции. Этот процесс повышает качество вы-
плавляемого в вакууме металла, существенно снижает в нем количество
газов, и в первую очередь кислорода. Различные установки для элек-
тронно-лучевой плавки показаны на рис. 9.1-9.3.
Схемы ЭЛУ для переплавки металла приведены на рис. 9.4-9.5.
Переплавляемый металл в виде порошка, гранул или мелкого металло-
лома подается в установку, где он обрабатывается одной или несколь-
кими пушками и доводится до нужной кондиции.
Рис. 9.4. Схема ЭЛУ для переплавки
порошка: 1 - электронная пушка;
2 — переплавляемый порошок;
3 — электронный луч; 4 — переплав-
ленный слиток; 5 — водоохлаждаемый
кристаллизатор
Рис. 9.5. Схема ЭЛУ для пере-
плавки металлолома: 1 - элек-
тронные пушки; 2 - электрон-
ные лучи; 3 — переплавляемый
металлолом; 4 - водоохлаждае-
мая форма
209
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Рис. 9.6. Схема ЭЛУ для выращивания монокристаллов: 1 — электронная
пушка; 2 — затравка; 3 — монокристалл; 4 - электронный луч; 5 - расплав пе-
реплавляемого материала; 6 - переплавляемый материал; 7 - водоохлаждае-
мый тигель
Особенно эффективна электронно-лучевая плавка при выращива-
нии монокристаллов (рис. 9.6), когда на затравку 2 наплавляется мате-
риал 5 из тигля 7 и вытягивается с определенной скоростью вертикаль-
но вверх с получением монокристалла 3.
Часто применяют электронно-лучевую плавку с последующей за-
ливкой в вакууме литейных форм. На специальных ЭЛУ для плавки
в вакууме при давлении 104—107 Па получают слитки массой до 20 т.
Локальный переплав обрабатываемых поверхностей с использова-
нием электронного луча позволяет получать большие скорости кристал-
лизации металла в зоне плавления. Формирующиеся при этом структуры
существенно отличаются от структур, образующихся в обычных услови-
ях: измельчается микроструктура, значительно повышаются пластич-
ность, твердость и износостойкость.
Поверхностное оплавление металла называют «облагораживаю-
щим»: это позволяет при изготовлении важных конструкций с улуч-
шенными показателями износостойкости применять недорогие исход-
ные металлы и сплавы.
Испарение материалов при нагреве в вакууме электронным лучом
широко применяют для получения тонких пленок. В отличие от других
210
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
способов испарения металла, когда энергия подводится к испаряемой
поверхности через стенку тигля или высокотемпературный нагрева-
тельный элемент, при электронно-лучевом испарении идет прямой на-
грев поверхности испаряемого металла. Этот способ позволяет испарять
материалы из водоохлаждаемых тиглей, что особенно важно при работе
с химически активными и тугоплавкими металлами. При электронно-
лучевом испарении возможно управлять электронным пучком как
в пространстве, так и во времени, регулируя при этом интенсивность
ввода энергии в испаряемое вещество, влияя тем самым на скорость ис-
парения.
Широко применяется электронно-лучевое испарение в микроэлек-
тронике для нанесения нужных металлических покрытий на стальную
ленту, для изготовления фольги строго определенного состава. Элек-
тронным лучом возможно испарение с последующим осаждением на
подложку различных неметаллических материалов: диоксида кремния,
оксида алюминия, различных видов стекла.
Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной уста-
новки для нанесения покрытий представлена на рис. 9.7. Из бункера 5
испаряемый материал по желобу 7, приводимому в действие вибрато-
ром 6, поступает в водоохлаждаемый тигель 9. Траектория электронно-
го луча 3, получаемого с помощью электронной пушки 1, направляется
отклоняющей системой 2 в сторону испаряемого вещества 8. В резуль-
тате воздействия луча 3 на вещество оно испаряется, частицы пара под-
нимаются вверх и адсорбируются на поверхности подложки 4, образуя
плотную пленку. Отклоняющая система магнитного поля дает возмож-
ность располагать электронную пушку 1 в любом месте.
Размерной обработкой заготовки электронным лучом получают
в ней глухие или сквозные отверстия определенных размеров или за-
данный контур. Размерная обработка материала основана на том, что
при большой удельной поверхностной мощности скорость испарения
обрабатываемого материала и давление пара возрастают настолько, что
весь жидкий металл с потоком пара выбрасывается из зоны обработки.
Дозирование подводимой энергии достигается импульсным воздействи-
ем электронного луча на поверхность или его перемещением по ней
с расчетной скоростью.
На практике выделяют три режима размерной электронно-лучевой
обработки:
1)	моноимпульсный режим - обработка ведется одиночным им-
пульсом;
211
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Рис. 9.7. Принципиальная схема электронно-лучевой испарительной уста-
новки: 1 - электронная пушка; 2 — отключающая система; 3 - траектория лу-
ча; 4 - подложка; 5 - бункер; 6 - вибратор; 7 - желоб; 8 - испаряемое веще-
ство; 9 - тигель
2)	многоимпульсный режим — отверстие получают воздействием
на заданное место заготовки несколькими импульсами;
3)	режим обработки с перемещением электронного луча по заго-
товке с расчетной скоростью.
Электронный луч широко применяется при размерной обработке
твердых материалов - алмазов, кварца, керамики, кристаллов кремния
и германия.
Одной из разновидностей размерной электронно-лучевой обработ-
ки является перфорация (получение мелких сквозных отверстий) раз-
личных материалов. Таким способом изготовляют металлические и ке-
рамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения
камер сгорания и лопаток турбин.
Термообработка при помощи электронного луча заключается
в локальном нагреве обрабатываемых участков детали для получения
структурных превращений материала. Кроме этого она применяется для
отжига материалов в вакууме.
Электронно-лучевая сварка - одно из наиболее распространен-
ных применений электронного луча. Тонкий луч электронов, фокуси-
руемый на стыке соединяемых деталей, нагревает их до плавления. Сва-
рочный шов при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) получается высокого
качества. Количество энергии, необходимое для расплавления материа-
ла с применением электронного луча, гораздо меньше, чем при других
212
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
видах нагрева в процессе сварки. Это объясняется высокой концентра-
цией энергии в фокусе электронного луча. При ЭЛС благодаря высокой
концентрации энергии в сварочной зоне сварочный шов имеет форму
вытянутого клина с большим отношением длины зоны расплавления
к ее ширине. Как правило, глубина проплавления электронным лучом
больше ширины шва до 20 раз («кинжальное проплавление»).
Установки ЭЛС бывают двух типов: низковольтные с рабочим ус-
коряющим напряжением до 15-20 кВ и высоковольтные, работающие
при ускоряющем напряжении 150-200 кВ. Их конструкции не имеют
особых отличий от установок для выполнения других технологических
операций. Но всё же есть некоторые конструктивные и схемные осо-
бенности. В состав ЭЛС включают специальное сварочное оборудова-
ние: сварочную вакуумную камеру с вакуумной насосной системой,
электронную пушку с высоковольтным источником постоянного тока.
Вакуумная камера обязательно снабжается вакуумными вводами
для передачи разнонаправленных движений, подачи охлаждающей во-
ды, подвода электроэнергии к катоду, магнитным линзам и т. д. В каме-
рах имеются специальные люки для загрузки и выгрузки деталей, а так-
же механизмы и устройства, обеспечивающие технологический процесс
сварки. Снаружи ведется наблюдение по приборам для определения
степени вакуума в отсеках камеры.
В настоящее время электронно-лучевая технология расширяет
сферу своего промышленного использования.
> Обработка тугоплавких и химически активных металлов и спла-
вов, их сварка, выращивание монокристаллов, металлизация и напыле-
ние, размерная обработка заготовок — всё это области применения элек-
тронно-лучевого нагрева.
Его преимуществами являются: возможность плавно изменять
удельную энергию в зоне нагрева; концентрированно выделять боль-
шую удельную мощность электронного луча; управлять пространствен-
ным положением луча с помощью магнитной системы; использовать
вакуум как рабочую среду и др.
Обнаруженные новые технологические возможности электронно-
лучевого нагрева обеспечили ему быстрое развитие. Однако установки
электронно-лучевого нагрева не способны передавать лучистую энер-
гию большой мощности на значительные расстояния. В таких случаях
прибегают к помощи лазерной техники, с которой и познакомимся
в следующей главе.
213
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить КПД электронно-лучевого нагрева, если
ускоряющее напряжение Uy =15 кВ, ток через материал I = 0,5 А, ток
вторичных электронов /2 = 0,005 А, мощность пучка, преобразующаяся
в тепло, Д = 5 000 Вт.
Решение. Определим ток в первичном пучке электронов:
Ix =1 + 12 =0,5 + 0,005 = 0,505 А.
Найдем мощность первичного пучка электронов:
Рх =1{иу = 0,50515103 = 7 5 75 Вт.
Определим мощность вторичного пучка электронов:
Р2 = Д-РТ =7 575-5 000 = 2 575Вт.
Коэффициент полезного действия электронно-лучевого нагрева:
1 Р2 1	2 575 ААА
и = 1 —- = 1--------= 0,66.
Д 7 575
Ответ'. т| = 0,66.
Пример 2. Определить площадь плоской металлической одно-
слойной стенки, если известно: при установившемся режиме тепловой
поток через стенку Q = 30 Вт, толщина стенки I = 0,02 м, температура
наружной поверхности стенки = 290 К, средняя температура стенки
/ср = 315 К, удельный коэффициент теплопроводности стенки Хо = 0,01,
коэффициент 0=1.
Решение. Тепловой поток через стенку определяется как
где F - площадь плоской металлической однослойной стенки, м ;
QU-
/i — температура внутренней поверхности стенки, К.
214
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева
Среднюю температуру стенки находят по формуле
^ср =	+ с),
откуда
А =-^--/2 = --290 = 340 К.
1 0,5 2 0,5
Коэффициент теплопроводности стенки
X = Х0(1 + р/ср)- 0,01(1 + 1-315) = 3,16 (Вт/м-К).
Получаем
340-290
30-0,02-3,16
= 26,4м2.
Ответ'. F = 26,4 м2.
Задачи
1.	Определить ток луча при электронно-лучевом нагреве, если
мощность электронного луча - 11 кВт, а энергия, приобретенная элек-
троном, который вышел из катода электронной трубки и ускорился
в электрическом поле, равна 3,524 • 10~17 эВ.
2.	Найти общую силу воздействия луча при электронно-лучевой
обработке, если известно: радиус отверстия в материале г = 0,5 мм, за-
ряд электрона е = 1,6-10“19Кл, ускоряющее напряжение Eq = 120 кВ,
масса электрона те = 9,11 • 10~31кг, плотность тока j = 6,6 • 107 А/мм2 .
3.	Известно: мощность луча Рл = 10 кВт, ток луча /, = 60 А, масса
те = 9,11-10~31кг, заряд электрона е = 1,6-10“19Кл. Определить энергию
электрона, вылетевшего из катода электронной трубки.
4.	Определить глубину кратера при сварке внедрением лучом, если
радиус кратера гкр = 125 мкм. Коэффициент поверхности натяжения
vn = 1 000 Н/см, скорость испарения меди оисп = 1,2103 м/с. Масса испа-
ряющихся атомов - 56 г. Температура поверхности расплава - 5 000 К.
5.	Определить потери Руст, отводимые устройством, поддерживаю-
щим объект нагрева в рабочем объеме печи. Коэффициент теплопровод-
ности жидкого железа Хж = 20 Вт/(м • °C), относительный коэффициент
лучеиспускания расплавленного железа 8Ж = 0,4, постоянная для железа
Аж = 5,6, температура плавления 7ПЛ= 1 535 °С, Тпов/Тпл = 1,10. Доля
215
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
отражения электронов от их первичного числа г|Отр = 0,26, энергия отра-
женных электронов Еотр =11 кэВ (1 эВ = 1,6 * 10 19Кл), энергия элек-
тронов первичного пучка Еп = 30,5 кэВ, диаметр слитка Dcsl = 0,5 м, ко-
эффициент экранирования зеркала ванны стенками кристаллизатора
7?д = 1, мощность пучка Рп = 5 Вт.
Вопросы для самопроверки
1.	В чем состоят преимущества электронно-лучевого нагрева?
2.	Каков принцип работы ЭЛУ с кольцевым катодом?
3.	Какие основные отличия ЭЛУ с аксиальными пушками?
4.	Каков состав комплекса электротехнического оборудования пе-
чей ЭЛУ?
5.	От чего зависит качество переплавляемого материала?
216
Глава 10. ОПТИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
(ЛАЗЕРЫ)
10.1.	Устройство и работа лазерных установок
Принцип работы оптического квантового генератора (ОКГ) осно-
ван на генерировании монохроматических волн оптического диапазона
под действием индуцированного излучения.
Согласно законам квантовой механики энергия относительного
движения какой бы то ни было системы связанных частиц не может
быть произвольной, а принимает строго определенный ряд значений,
которые называют уровнями энергии Eq, Е\, Е2 и т. д. Все возможные
значения энергии называют энергетическим спектром системы.
При термодинамическом равновесии нахождение атомов по раз-
личным энергетическим уровням подчиняется закону Больцмана
N2lNx=e~{E^lkT,	(10.1)
где М, N2 и Ei, Е2 — соответственно количество и энергия атомов на
уровнях 1 и 2; к - постоянная Больцмана; Т- температура, К.
Числа Ni, N2, ..., Nn называют населенностями уровней энергии.
Например, если на уровне 2 энергия больше, то населенность этого
уровня ниже при любой допустимой температуре данной системы.
Энергетическое состояние частицы может изменяться при ее взаимо-
действии с электромагнитным полем или другими частицами. Тогда
при переходе с высокого уровня энергии Еп на нижний Ет частицы
излучают электромагнитные волны, частота v которых определяется
по формуле
v = {E„-EJ/h,	(10.2)
где h - постоянная Планка, h = 6,62 • 10”34 Дж • с.
В случае перехода на более высокие энергетические уровни час-
тицы могут поглощать электромагнитные волны этой же частоты.
Электромагнитные волны любой частоты (и свет тоже) есть поток
отдельных порций энергии - квантов или фотонов, энергия которых
равна hv. Следовательно, формула (10.2) выражает закон сохранения
217
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
энергии. Переходы между состояниями микрочастиц происходят только
при взаимодействии с фотонами резонансной частоты vnm, когда
~ ~ Ет •
Согласно квантовой теории Эйнштейна процесс взаимодействия
электромагнитных волн с веществом состоит из актов поглощения фото-
на, а также его спонтанного или индуцированного излучения. При нахо-
ждении микрочастицы в возбужденном состоянии ее энергия выше ми-
нимально допустимого значения Eq. Такое состояние долго сохраняться
не может, и возбужденная частица через некоторое время перейдет в со-
стояние с меньшей энергией, испустив при этом переходе фотон. Такой
переход называют самопроизвольным, или спонтанным, излучением. Все
источники света (нагретые тела, плазма газовых разрядов) дают спонтан-
но излучаемый свет [6, 19, 21].
По-другому идет процесс индуцированного излучения. При воз-
буждении частица пребывает под воздействием внешних электромаг-
нитных волн резонансной частоты и может перейти в состояние
с меньшей энергией. При этом она испускает квант, имеющий такую
же частоту, поляризацию и направление движения, как у воздейст-
вующих на нее электромагнитных волн. Фаза появляющихся при ин-
дуцированных переходах электромагнитных волн согласована с фазой
внешних волн.
В любой находящейся в термодинамическом равновесии колонии
частиц населенность на более высоких уровнях энергии меньше, чем на
нижних уровнях. Поэтому процессы поглощения квантов происходят
чаще, чем индуцированное излучение. Электромагнитные волны резо-
нансной частоты, взаимодействуя с такими частицами, рассеивают свою
энергию и прекращают свое существование.
Для того чтобы индуцированное излучение преобладало над по-
глощением, необходимо за счет внешних сил вывести систему из со-
стояния равновесия. В этом случае за счет внешнего источника энер-
гии создается более высокая населенность одного из возбужденных
состояний, по сравнению с населенностью хотя бы одного из состоя-
ний с меньшей энергией, благодаря чему создается инверсная насе-
ленность в системе микрочастиц. Только в этом случае среда, со-
стоящая из таких частиц, становится активной и способной усиливать
волны резонансной частоты. Явление индуцированного излучения
среды используется в любом ОКГ, поддерживаемом в состоянии с ин-
версной населенностью уровней за счет энергии воздействия сторон-
него источника.
218
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Разрядная Поверхность,
Рис. 10.1. Принципиальная схема лазера с рубиновым стержнем
Принцип работы лазера с рубиновым стержнем показан на рис. 10.1.
Синтетический рубиновый стержень — это плавленый оксид алюминия
с добавкой (0,04-0,05 %) атомов трехвалентного хрома. На атомы хрома,
находящиеся в состоянии покоя на нижнем энергетическом уровне, воз-
действуют испускаемыми импульсной лампой фотонами. В результате
атомы хрома возбуждаются и переходят на более высокий энергетический
уровень.
При изготовлении лазеров подбирают вещества, атомы которых
переходят из возбужденного состояния в основное через промежуточ-
ное, метастабильное, состояние. При переходе из метастабильного со-
стояния в основное длина волны излучаемого света равна длине волны
света, благодаря действию которого этот переход стал возможен. В оп-
тических квантовых генераторах достаточно лишь одному атому перей-
ти из метастабильного состояния в основное и испустить хотя бы один
фотон — и произойдет переход других атомов.
Процесс излучения света лазером протекает в два этапа, как пока-
зано на энергетической диаграмме (рис. 10.2): горизонтальные линии
отражают энергетические уровни системы, а стрелки указывают на воз-
можные переходы между ними.
При воздействии на находящиеся в метастабильном состоянии ато-
мы квантами световой энергии, при их частоте, равной частоте перехода
из метастабильного состояния в основное, атомы тут же переходят в ос-
новное состояние, результатом чего является излучение световой энергии.
Таким образом, метастабильное состояние атомов является опре-
деляющим в работе лазера. Перевод атомов в метастабильное состояние
становится возможным при помощи подсветки разрядной трубки
и представляет собой процесс населения метастабильного уровня.
219
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Рис. 10.2. Энергетическая диаграмма системы частиц
В результате вспышки в разрядной трубке, питаемой от источника
тока, возбуждается активный элемент лазера - рубиновый стержень.
Возникший в нем луч многократно усиливается и выходит через по-
верхность, частично отражающую свет, в виде когерентного светового
излучения. Когерентным называют излучение, характеризующееся од-
ной частотой, одинаковыми фазами, одним направлением [3, 7, 26].
10.2.	Типы квантовых генераторов
Оптические квантовые генераторы имеют много общего и независи-
мо от конструктивного исполнения они включают следующие элементы:
1)	рабочее тело, состоящее из набора атомов или молекул, для ко-
торых может быть создана инверсия населенностей;
2)	систему, дающую возможность осуществлять инверсию. Обыч-
но ее называют системой накачки’,
3)	оптический резонатор;
4)	блок для вывода энергии из резонатора;
5)	блок управления концентрацией энергии и геометрическим по-
ложением направленного луча света;
6)	специальные системы регулирования и управления, связанные
с конкретной конструкцией и применением ОКГ.
С целью инверсии населенности в ОКГ используют различные ви-
ды накачки:
•	оптическую - путем облучения вещества мощным световым по-
током;
•	электрическую — путем прохождения через вещество электриче-
ского тока;
220
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Рис. 10.3. Принципиальная схема твердотельного лазера: 1,3- зеркала;
2 - стержень; 4 — кожух; 5 — источник напряжения; 6 — лампа-вспышка
•	химическую, в случае когда инверсия появляется в результате
химической реакции, причем в ней принимает участие и рабочее веще-
ство, и т. д.
Для ОКГ предусматривается режим работы - непрерывный и им-
пульсно-периодический .
В настоящее время лазеры по роду материалов, применяемых для
получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре типа:
твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (ин-
жекционные), жидкостные и газовые (рис. 10.3).
Лазеры твердотельные с оптической накачкой. В лазерах с дан-
ным излучателем активным элементом является твердое тело. В таких
ОКГ основная масса диэлектрика (матрица) конкретного участия в гене-
рации индуцированного излучения не принимает. Излучение и генерация
частиц связаны с происходящими в матрице переходами атомов актива-
тора, содержащегося в ней в количестве 0,01-10 %.
Матрица состоит из кристаллов щелочно-земельных фторидов,
вольфраматов или молибдатов, синтетического рубина, иттриево-алюми-
ниевых гранатов, стекла различных составов. В качестве стимулирую-
щих добавок активаторов применяются различные редкоземельные эле-
менты, хром и уран.
Схема твердотельного оптического квантового генератора с руби-
новым стержнем представлена на рис. 10.3. Активный элемент 2, изго-
товленный из рабочего вещества, устанавливают между зеркалами 1, 3.
Зеркало 1 полностью отражает все направленные на него лучи, а зеркало
3 является полупрозрачным. Для накачки энергии применяют газораз-
рядную лампу-вспышку 6, которая для большего облучения кристалла
221
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
находится вместе с ним внутри отражающего кожуха 4, выполненного
в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса
создаются оптимальные условия равномерного освещения активного
элемента. Лампа-вспышка питается от импульсного источника 5 высоко-
го напряжения.
Во время нагрева рабочего тела изменяются энергетические уровни
активных атомов, и по достижении предельной температуры генерация
когерентного излучения останавливается. Перегрев стержня приводит
к возникновению в нем термических напряжений, в результате чего мо-
жет произойти его разрушение. По этой причине в большинстве конст-
рукций твердотельных ОКГ при проектировании предусматривают ох-
лаждение рабочего тела разными вариантами: воздухом, водой или жид-
ким азотом. Излучение лампы-вспышки активизирует атомы оптического
резонатора, которые возбуждаются и затем при переходе на более низ-
кие энергетические уровни генерируют собственное излучение.
Время действия импульса твердотельных ОКГ зависит от индук-
тивности в цепи конденсаторной батареи и может колебаться от 0,1 до
10 мс. Повторение импульсов зависит от условий охлаждения и харак-
теристик импульсной лампы. В лазерах последних модификаций часто-
та доходит до 600 импульсов в минуту.
Величина энергии излучения современными твердотельными ОКГ
находится в пределах от сотых долей до сотен джоулей и более.
У твердотельных лазеров КПД невысок, так как большая часть под-
водимой к лампе накачки энергии тратится на тепло.
Излучение ОКГ на поверхность обрабатываемого изделия фокуси-
руется с помощью сферической, цилиндрической и других специальных
оптических систем. В первом случае луч фокусируется в точку, во вто-
ром - в линию, размеры которой зависят от поперечного сечения луча
генератора, в других - в группу параллельных линий, окружность и др.
Твердотельные полупроводниковые лазеры. В лазерах данного
типав качестве излучающего свет вещества используется полупровод-
никовый элемент.
В полупроводниковых лазерах возбуждение осуществляется при
инжекции носителей заряда через р-и-переход, поэтому их называют
инжекционными. Лазером такого типа является полупроводниковый
квантовый генератор на р-тг-переходе в арсениде галлия (рис. 10.4). Ак-
цепторными добавками в арсениде галлия служат цинк, кадмий, индий
и др., донорными примесями - теллур, селен и др.
222
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Рис. 10.4. Принципиальная схема твердотельного полупроводникового лазе-
ра: 1 — электрод; 2 — контакт; 3 — проводник р-типа; 4 - р-н-переход;
5 - проводник и-типа; 6 — теплоотводящие пластины
Кристалл инжекционного лазера (рис. 10.4) имеет размеры 0,5-
1 мм2. Электрод 1 присоединяется к контакту 2, верхняя часть 3 являет-
ся проводником p-типа, нижняя часть 5 - проводником //-типа. Между
ними имеется р-н-переход 4, толщиной 0,1 мкм. Из-за проникновения
электронов и дырок через р-//-переход в глубь кристалла толщина из-
лучающего слоя - 1-2 мкм.
В твердотельных полупроводниковых лазерах передняя и задняя
грани служат зеркалами и получаются скалыванием кристалла относи-
тельно определенной кристаллографической оси. Боковые же грани этих
установок делают скошенными с целью недопущения возникновения ко-
лебаний в перпендикулярном направлении. Электрическое поле с помо-
щью специальных электродов, соединенных с теплоотводящими пласти-
нами 6, прикладывается перпендикулярно направлению //-^-перехода.
Твердотельные полупроводниковые инжекционные лазеры отли-
чаются высоким КПД преобразования электрической энергии в коге-
рентное излучение (до 100 %) и могут работать в непрерывном режиме
даже при комнатной температуре. В полупроводниковых лазерах, рабо-
тающих при охлаждении жидким азотом, достигается мощность 100 Вт,
а при охлаждении жидким гелием - до 10 Вт.
Главным недостатком полупроводниковых лазеров считается ма-
лая направленность излучения и трудность получения высокой моно-
хроматичности.
Жидкостные лазеры разработаны на основе растворов редко-
земельных ионов в некоторых неорганических жидкостях. В лазерах
непрерывного и импульсного действия в качестве активной среды
223
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
используются также растворы органических красителей. Главное пре-
имущество жидкостных лазеров - возможность циркуляции жидкости
с целью ее охлаждения, что обеспечивает получение больших энергий
и мощностей излучения в импульсном и непрерывном режимах.
В жидкостных лазерах в резонатор вместо стеклянного стержня
устанавливают кювету с раствором. Инверсия населенности происходит
за счет накачки от импульсных ламп; КПД преобразования энергии оп-
тической накачки в энергию генерации достигает 50 %.
Лазеры, работающие на неорганических активных жидкостях, ха-
рактеризуются большими импульсными энергиями при средней мощно-
сти и генерируют излучение с узким спектром частот. Широкие спек-
тральные линии люминесценции органических красителей дают воз-
можность изготавливать лазеры с непрерывной перестройкой длин волн
излучения в диапазоне до нескольких сотен ангстрем. Заменяя органи-
ческие красители, можно добиться перекрытия всего видимого и части
инфракрасного участков спектров.
Газовые лазеры. Устройство лазеров данной конструкции суще-
ственно проще рассмотренных выше. Стеклянную трубку наполняют
специальной активной газовой смесью, атомы или молекулы которой
могут определенное время находиться в метастабильном состоянии: ар-
гон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с до-
бавкой азота и др. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят
напряжение от источника питания. В трубке возникает газовый разряд.
Меньшая плотность и более высокая однородность газов, по сравнению
с твердыми телами и жидкостями, не вызывают искажения светового
луча, его рассеяния и потерь энергии. По этой причине направленность
лазерного излучения в газах существенно увеличивается, достигая пре-
дела, обусловленного дифракцией.
Газовые ОКГ подразделяют на три группы: лазеры на атомных,
ионных и молекулярных переходах.
Гелиево-неоновый ОКГ — один из вариантов атомного лазера
(рис. 10.5). Рабочим веществом этого лазера являются нейтральные ато-
мы неона, а атомы гелия вводят для передачи энергии возбуждения.
В процессе этой передачи атомы неона возбуждаются, а атомы гелия
возвращаются в основное состояние. Разрядная трубка 1 лазера заполня-
ется гелием и неоном с парциальными давлениями соответственно 133
и 13 Па. От источника питания 4 в трубке создается высоковольтный
электрический разряд 2, который возбуждает атомы гелия и неона вслед-
224
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
ствие соударений с электронами. Излучение направляется через полу-
прозрачное зеркало 3, к обрабатываемому изделию. Гелиево-неоновый
ОКГ имеет малую мощность, но простота устройства, надежность и вы-
сокие параметры излучения обеспечили ему широкое применение.
В конструкциях ионных газовых ОКГ используются переходы ме-
жду энергетическими уровнями ионов следующих газов: ксенона, арго-
на, неона, криптона - и фосфора, серы и хлора.
«Классический» представитель данной группы ОКГ - аргоновый ла-
зер. По схемному решению он похож на гелиево-неоновый ОКГ. Мощ-
ность ОКГ данной группы выше, чем лазеров на атомных переходах. Так,
газовый ОКГ на аргоне генерирует излучение мощностью до 150-500 Вт
в непрерывном режиме.
Газовые ОКГ, характеризующиеся наиболее высокой мощностью
и КПД, генерируют колебания на молекулярных переходах. К ним от-
носятся ОКГ, работающие на углекислом газе (рис. 10.5, б). Электриче-
ский разряд возбуждается в охлаждаемой стеклянной газоразрядной
трубке 1 между электродами 2 с помощью высоковольтного источника
питания 3. Излучение выводится через окно 4, выполненное из материа-
ла, пропускающего инфракрасные лучи, например из кристаллов КВг,
NaCl или Ge.
Рис. 10.5. Схемы газовых лазеров: а — гелиево-неонового; б — углекислотно-
го; в - газодинамического
225
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
В газоразрядных ОКГ инверсия населенностей обеспечивается
благодаря возбуждению молекул электронным ударом и резонансной
передачей энергии возбуждения. Для передачи энергии возбуждения
в состав газа вводят молекулы азота N2, которые сами возбуждаются
электронным ударом. В режиме тлеющего разряда, как правило, до 90 %
молекул азота переходят в возбужденное состояние. Азот активно нака-
пливает энергию возбуждения и в процессе неупругих столкновений без
препятствий передает ее молекулам СО2. Высокая инверсия населенно-
стей обеспечивается введением в рабочую смесь гелия Не. Он облегчает
условия возникновения разряда и способствует опустошению нижних
лазерных уровней молекулы углекислого газа.
Самыми эффективными лазерами на СО2 являются системы с по-
перечной продувкой газа. В них проводят интенсивную прокачку газа
через объем резонатора с охлаждением его в теплообменнике. Электри-
ческий разряд возбуждается между анодной плитой и секционирован-
ным катодом. В качестве рабочего газа применяется смесь CO2-N2-He.
Расход газовой смеси через разрядную камеру составляет 2-3 м3/с. Оп-
тические квантовые генераторы данного типа обеспечивают съем мощ-
ности до 16 Вт с 1 см3 газа. Лазеры с поперечной прокачкой газа рабо-
тают в непрерывном режиме генерации.
Особенностью газодинамических лазеров является создание быст-
рых потоков газовых масс. Инверсия населенностей в них происходит
при резком охлаждении нагретой рабочей смеси путем адиабатического
расширения газа. Нагревание газа обеспечивает молекулам переход на
верхние уровни. При этом сохраняется распределение по энергетиче-
ским уровням с большим населением нижних уровней по сравнению
с верхними.
В камеру сгорания (рис. 10.5, в) 2 подается топливо 1. Продукты
сгорания (СО2) в смеси с азотом и гелием выходят через сверхзвуковое
сопло 3 в виде расширяющего потока газа 4. Для получения лазерного
излучения используется резонатор в виде двух зеркал 5. Резонатор рас-
положен так, что его ось перпендикулярна вектору скорости потока га-
за. Мощность лазерного излучения определяется плотностью, скоро-
стью и температурой газа на выходе из сопла.
При охлаждении газа молекулы должны перейти на нижние уров-
ни. Скорость их перехода связана с временем жизни на том или ином
уровне. Так как время жизни верхнего лазерного уровня молекулы СО2
гораздо больше времени жизни нижнего, то расселение нижнего уровня
идет с большей скоростью. Адиабатическое расширение газа в сопле
226
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
сменяется его резким охлаждением на выходе из сопла. В связи с этим
в различных областях газовой среды будет иметь место различное рассе-
ление молекул по энергетическим уровням. Так, в прилегающей к соплу
зоне еще будет преобладать населенность нижнего уровня, но на некото-
ром расстоянии от сопла нижние уровни будут опустошаться быстрее
верхних, и в этой зоне будет наблюдаться инверсия населенностей.
10.3.	Технологические основы лазерной обработки
Генераторы когерентного светового излучения — это газовые
и твердотельные лазеры, которые обладают мощностью непрерывного из-
лучения до сотен киловатт и энергией импульса до нескольких сотен джо-
улей. Такие генераторы имеют ряд недостатков: массивны, потребляют
большую мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации. В то же вре-
мя они имеют ряд технологических преимуществ, которые определяют их
широкое применение: возможность передачи энергии световым лучом на
расстояние в любой оптически прозрачной среде; отсутствие физического
контакта между источником энергии и обрабатываемым изделием; нали-
чие высокой концентрации энергии в зоне обработки; возможность плав-
ной регулировки мощности лучистого потока фокусировкой луча; воз-
можность получения импульсов энергии малой длительности (до 10 9 с)
и непрерывного его излучения перемещением с высокой точностью и ско-
ростью с применением систем развертки при неподвижном положении
детали.
Отличительной особенностью лазерной обработки является интен-
сивный локальный разогрев обрабатываемого материала. Это определя-
ется глубиной проникновения луча в материал 5 и толщиной прогретого
слоя л/ят, где а - теплопроводность материала, т - длительность воз-
действия лазерного излучения.
Технологический процесс лазерной обработки делится на ряд стадий:
поглощение световой энергии твердым телом; нагрев материала без разру-
шения, в том числе плавление; разрушение материала путем испарения
и выброса его расплавленной части; остывание по окончании обработки.
В состав лазерной технологической установки, согласно ее назна-
чению, кроме лазера может входить целый ряд специфических блоков
и устройств. Структурная схема промышленной лазерной установки по-
казана на рис. 10.6.
227
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Рис. 10.6. Структурная схема промышленной лазерной установки: 1 — заряд-
ное устройство; 2 - емкостный накопитель; 3 - лазерная головка; 4 - система
охлаждения; 5 — датчик энергии излучения; 6 - оптическая система; 7 — из-
делие; 8 - предметный столик; 9 - система программного управления;
10 - система стабилизации энергии излучения; 11 — система управления;
12 — блок поджига
В реальных установках в зависимости от технологических требо-
ваний могут исключаться или совмещаться отдельные блоки, устройст-
ва и узлы.
Лазеры большой мощностью часто применяются в технологиче-
ских процессах сварки, закалки, резки и сверления различных материа-
лов без возникновения в них механических напряжений и с очень высо-
кой точностью. Лазерами можно обрабатывать материалы любой твер-
дости: металлы, алмазы, рубины.
Газолазерная резка предусматривает разделение материала под
воздействием выделяющейся в нем теплоты с поддувом в зону резки га-
за. Поддув удаляет продукты разрушения металла. Данный способ резки
особенно эффективен при обработке дорогих металлов и сплавов, так
как дает минимальные отходы. Он широко применяется в электронной
и микроэлектронной промышленности при производстве полупровод-
ников и интегральных схем. Лазерная резка успешно применяется
в легкой промышленности: раскрой тканей, кожи и другие операции.
Освоены технологические процессы лазерного изготовления глухих
и сквозных отверстий при производстве алмазных фильер, рубиновых
часовых камней и других элементов.
228
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Лазерная сварка оказалась наиболее эффективна в микроэлектро-
нике. Она не заменима при соединении плоских выводов с монтажом пе-
чатных плат. Лазерной сваркой осуществляют герметизацию металличе-
ских корпусов интегральных схем. Кратковременность нагрева и высокая
локальность при ее использовании позволяют понизить температуру
в очень чувствительных к нагреву элементах интегральных схем.
Лазерной сваркой можно соединять металлы с различными свой-
ствами, и даже с неметаллами. Она с успехом может применяться для
сварки крупногабаритных деталей и узлов.
Нагревание лазерным лучом применяют для закалки и поверхно-
стного упрочнения («залечивание» микродефектов оплавлением) быст-
роизнашивающихся поверхностей металлических деталей, для создания
р-и-переходов при изготовлении полупроводниковых приборов, для
получения тонких пленок путем испарения материалов в вакуумных ус-
тановках.
Лазерное излучение характеризуется абсолютной стерильностью,
это свойство позволяет использовать его в медицине при глазных опе-
рациях, при остановке кровотечений, а также в сельском хозяйстве для
обработки семян и в других процессах.
Большая мощность и экономичность СС^-лазеров позволяют ис-
пользовать их для разрушения сверхпрочных горных пород при произ-
водстве работ в шахтах и тоннелях. Эффективное применение лазеров
подтверждено и в различных химических технологиях.
> Широкое применение лазерной обработки обусловлено ее уни-
кальными возможностями: передачей энергии в виде светового луча на
значительные расстояния в любой оптически прозрачной среде; отсут-
ствием механического и электрического контактов между источником
энергии с изделием в зоне обработки; наличием высокой концентрации
энергии в точке нагрева и др. Лазерные технологии позволяют осущест-
влять нагрев металла без его разрушения, включая плавление; разруше-
ние металла путем испарения, резку и сварку металла; прошивку отвер-
стий и т. д.
Лазерное излучение в последнее время широко применяется в меди-
цине, в горном деле и в других областях. А там, где возникает необходи-
мость получения химически чистых металлов, специальных сплавов, ме-
таллических покрытий или растворения металлов, без электрохимической
обработки не обойтись. Что собой представляет этот технологический
процесс, узнаем далее.
229
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Найти мощность лазера Ро, необходимую для получе-
ния на чугуне С4 24-44 закаленную дорожку шириной /зак = 0,45 см, ес-
ли эффективная плотность мощности дэф = 2 600 Вт/см2. Коэффициент
поглощения используемого покрытия А = 0,75. Температура плавления
чугуна Улл = 1 140 °C, а температура закалки Тзак = 900 °C. Теплопровод-
ность % = 0,5 Вт/(см • °C), температуроупорность а = 0,13 см2/с, скорость
перемещения пучка до детали Рзак =1,2 см/с, у = 0,65 - поправочный
коэффициент.
Решение. Определим глубину закаленной дорожки:
7
^зак
7(Гш,-Тик) = 0,65.(И40 - 900)=	6см
2 600
Найдем время действия теплового источника:
зак	пл
Ипл-
3,14-0,Об2
4-0,13
Z	\ 2
л 1140 Y
<1 140-900J
= 0,49 с.
Определим радиус лазерного пучка:
V t 1 2 • 0 49
= зак зак = >	= 0 29 СМ.
л 2	2
Мощность лазера
, =	= 0,292-3,14 0,5 (1 140 - 900) = ] 08
°	0,65-0,75-0,06
Ответ', мощность лазера - 1,08 кВт.
Пример 2. Определить угол между направлениями распростране-
ния соседних типов колебаний 0 и скорость их распространения А К,
если известно: целое число колебаний g = 5, постоянная Планка
h = 6,6 • 10-34 Дж • с, скорость света с = 3 • 108 м • с-1, энергия фотона
Е = 0,81 эВ, показатель преломления среды п = 1,4.
230
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Решение. Найдем скорость распространения колебаний:
А(/^^.108.5.0,81^	1q8mc_,
п 1,4
Вычислим угол между направлениями распространения соседних
типов колебаний:
„ 4h 7б,б-ю-34 Qno
9 - arccos---- arccos—--------- 90 .
ДЕл 8,7-Ю8-1,4
Ответ: 0 = 90°, ДК = 8,7 • 108 м • с’1.
Задачи
1.	На электронном уровне с энергией Е\ в теле вещества лазера оп-
ределить количество электронов М, если известно: количество электро-
нов на уровне 2 равно 1,99, энергия уровня Е2 = 100 эВ, температура
Е=300К, интегральная излучающая способность абсолютно черного
тела 8Т = 9 545, энергетическая светимость тела М = 1 050 лм/м2.
2.	Определить плотности мощностей лазерного излучения для тита-
на, необходимые для начала его плавления и начала его кипения и глуби-
ну проникновения тепла. Теплопроводность титана X = 0,23 Вт/(см • °C),
р = 4,5 г/см3, с = 0,52 Дж/(г • °C), Тт = 1 668 °C, Ттп = 3 330 °C, т = 5 с.
3.	Определить число продольных мод излучения гелиевого неоно-
вого лазера. Лазер генерирует излучение мощностью 2 мВт на длине
волны 0,63 мкм. Его резонатор имеет длину 30 см. Температура рабочей
смеси в разрядной трубке лазера - 400 К.
4.	Во время электролизной обработки источник питания выдает
частоту импульсов fH = 20 с-1, амплитудные значения напряжения
/4 = 380 В, тока Im = 10 А. Промежуток времени, в течение которого
расходуется мощность источника питания, ти = 10 7 с. Определить мощ-
ность источника импульсного генератора Р.
5.	Определить длину волны излучения X, если известно, что источ-
ник света мощностью Р = 100 Вт испускает N = 5 • 1О20 фотонов за t = 1 с.
Вопросы для самопроверки
1.	Каковы преимущества электронно-лучевого нагрева?
2.	Когда применяется плавка электронным лучом в вакууме?
231
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева
3.	Что такое спонтанное излучение?
4.	Что такое когерентное излучение?
5.	На какие стадии делится процесс взаимодействия лазерного из-
лучения с обрабатываемой поверхностью?
232
Часть IV. ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Глава 11. ЭЛЕКТРОЛИЗНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
11.1. Теория электрохимической обработки
Электрохимия - раздел физической химии, в котором изучаются
свойства систем, содержащих подвижные ионы (растворов, расплавов
или твердых электролитов), а также явления, возникающие на границе
раздела двух фаз (например, металла и раствора электролита) вследст-
вие переноса заряженных частиц (электронов и ионов).
Электролиты - жидкие или твердые вещества, в которых в сколь-
ко-нибудь заметных концентрациях присутствуют ионы, способные пе-
ремещаться и проводить электрический ток. В узком смысле — соли,
растворы которых проводят электрический ток из-за наличия ионов, об-
разующихся в результате электролитической диссоциации [7, 12, 19].
Согласно теории электролитической диссоциации, молекулы солей,
щелочей, оснований веществ являются полярными, т. е. состоящими из
двух ионов, обладающих противоположными и равными по величине за-
рядами. Силы взаимодействия между ними обеспечивают устойчивую це-
лостность молекулы. При прохождении полярной молекулы между моле-
кулами растворителя (воды), связи между ионами полярной молекулы
значительно снижаются. В этих условиях столкновение между молекула-
ми приводит к их распаду на ионы, т. е. к их диссоциации. Таким образом,
электролитической диссоциацией называется процесс распада молекул
вещества на разноименно заряженные частицы-ионы при его растворении
или расплавлении. Количество положительных и отрицательных ионов,
образовавшихся в процессе электролитической диссоциации, одинаково.
Ионы, имеющие положительный знак, представляют собой атомы или
молекулы, потерявшие один или несколько электронов, отрицательные
ионы - атомы или молекулы, имеющие один или несколько лишних
электронов. Так, при растворении поваренной соли в воде ее молекула
распадается на два иона - натрий Na+ и хлор СГ. Иногда ионами являются
233
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
не отдельные атомы, а группы атомов, несущие заряд. Например, при
растворении в воде сернокислого цинка образуется два иона - положи-
тельный Zn2+ и отрицательный SO42. Часть молекул растворителя Н2О
также может диссоциировать на Н+ и ОН-.
Наряду с процессом диссоциации в электролитах иногда протекает
и обратный процесс - воссоединение ионов в отдельные молекулы или
молизация. При одновременном протекании этих процессов в растворе
устанавливается подвижное равновесие. Если поместить электрод в та-
кой раствор, то в системе «электрод - электролит» устанавливается
равновесное состояние.
Как в металле, так и в системе «электрод — электролит» находятся
одни и те же ионы. В металле они расположены в узлах кристаллических
решеток, а в электролите взаимосвязаны с молекулами растворителя. Для
перехода иона из узла кристаллической решетки в электролит нужно за-
тратить энергию, которую называют работой выхода иона из металла.
Для выхода же иона из электролита в металл необходимо затратить рабо-
ту, равную энергии гидратации.
На поверхности электрода, помещенного в электролит, протекает
обратимая электрохимическая реакция
МеоМеи++А7в-,	(11.1)
где Me"' - ион металла в растворе; п - валентность металла; е - электрон.
В условиях равновесия скорость прямой и обратной реакций по
схеме (11.1) одинакова, т. е. скорость окисления атомов Me и восста-
новления ионов Me"' (осаждения) соответственно равны.
Прохождение электрического тока через электролит. В раство-
рах электролитов ионы, как и молекулы, движутся хаотически. Если же
к опущенным в электролит электродам приложить электрический потен-
циал, то кроме хаотичного появится и направленное движение ионов.
Положительные ионы (катионы) направляются к катоду, а отрицательные
(анионы) — к аноду. Дойдя до соответствующих электродов, ионы отдают
им свои заряды и, став обычными атомами или молекулами, выделяются
на электродах или вступают в химические реакции с материалом элек-
трода. Электрический ток в электролитах - это направленное движение
ионов в электрическом поле. В отличие от металлов и полупроводников
прохождение электрического тока через электролит обусловлено пере-
носом массы вещества.
234
Глава 11. Электролизные технологии
Количество вещества g, выделившееся на электроде при прохож-
дении электрического тока через раствор электролита, определяется за-
коном Фарадея
g = a/T,	(11.2)
где а — электрохимический эквивалент, г/Кл; / - ток, А; т - время про-
хождения тока, с.
Электрохимический эквивалент (а) - количество вещества, вы-
делившееся из электролита при прохождении одного кулона электри-
чества. Численно он равен отношению химического эквивалента ве-
щества к числу Фарадея. Число Фарадея (Кф) - количество электриче-
ства, требующееся для выделения одного грамм-эквивалента вещества
[Гф = 96 485 Кл/(г ♦ экв)].
Электрические процессы в электролитах подчиняются закону Ома.
Для доказательства этого рассмотрим движение ионов в электролите под
действием электрического поля. Ион, движущийся под действием поля
в электролите, непрерывно сталкивается с молекулами жидкости, переда-
вая им полученную в электрическом поле энергию, что выражается в на-
гревании электролита.
11.2. Электролиз растворов и расплавов
Процессы окисления или восстановления на электродах при про-
хождении через электролит тока, сопровождающиеся приобретением
или потерей частицами вещества электронов, называются электролизом
[3,7,19].
На производстве электролиз применяется чаще всего для анодного
растворения металла и его катодного осаждения из растворов и расплавов.
Металлы с нормальным потенциалом больше 1 по отношению к по-
тенциалу нормального водородного электрода получают электролизом из
растворов (медь, цинк). Металлы с нормальным потенциалом меньше 1 по-
лучают электролизом из расплавов солей этих металлов (литий, калий,
алюминий, магний).
Электролиз алюминия. При нормальном потенциале выделения
металла меньше 1 В получить его на катоде путем электролиза раствора
невозможно: на катоде будут выделяться в основном водород, на аноде -
примеси электролита. Так как нормальный потенциал алюминия -1,67 В,
235
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
то его получение возможно электролизом расплавленных солей. В этом
процессе электролитом служит раствор оксида алюминия А120з в рас-
плавленном криолите (NasAlFg).
Ввиду агрессивности фторидных расплавов электролиз алюминия
ведут с расходуемыми угольными электродами, а поверхности ванн
внутри футеруют угольными плитами и блоками.
Алюминиевые электролизеры классифицируют по ряду признаков:
1)	по силе тока и мощности: 40-50 кА - малой мощности; 50-80 кА -
средней мощности; 100-160 кА - большой мощности; 200—250 кА -
сверхбольшой мощности;
2)	по варианту подвода тока: боковой - электролизеры малой
и средней мощности; верхний - электролизеры большой мощности;
3)	по конструкции анода: самоспекающийся за счет теплоты ванны
и обожженный. Обожженные аноды рассчитаны только на верхний под-
вод тока. Самоспекающиеся аноды размещают по одному на ванну. Ко-
жух электролизера сварен из стальных листов, может быть с днищем и без
него. Ванну снизу для теплоизоляции заполняют шамотной кладкой. На
нее укладывают подовые катодные блоки, к которым крепят токопроводы.
С боков ванны покрывают асбестовыми листами, теплоизолируют глино-
земной засыпкой и футеруют угольными плитами. Швы плит герметизи-
руют углеродистой массой.
Рабочие размеры анода зависят от мощности ванны и допустимой
плотности тока, для ванн средней мощности - 0,80-0,95 А/см2, для
мощных — 0,65—0,7 А/см2. Обожженные аноды работают при плотно-
стях тока 0,75-1,0 А/см2.
Главным достоинством самоспекающихся электродов является эко-
номия средств на прессование и обжиг электродов. Их недостатками явля-
ются: выделение вредных газов из каждой ванны; высокое сопротивление;
выкрашивание, что заставляет снимать с электролита угольную крошку.
Анод подвешивают на подвижной раме и автоматически переме-
щают по металлоконструкциям печи в функции потери напряжения
в электролите.
Рабочий ток к ванне подводится с двух сторон по пакетам алюми-
ниевых шин. От шин к штырям подвод тока осуществляется по гибким
медным токоподводам, а в массу анода ток вводится по стальным шты-
рям. В случае верхней подводки штырь и шина соединяются колодкой
с пружинным зажимом для прочности контакта.
Алюминиевые электролизеры объединяют в серию из 160-170 шт.,
причем 4-5 из них резервные. Ванны серии, как правило, устанавливают
236
Глава 11. Электролизные технологии
в двух корпусах и в два ряда. Полы электролизного цеха делают элек-
троизолированными.
Ток через ванну при электролизе расплавов доходит до 100 кА
и более, поэтому ванны включают в серии последовательно без предва-
рительного объединения их в блоки. Более подробные данные по элек-
тролизу алюминия можно найти в специальной литературе.
11.3.	Электрохимическая обработка изделий
Способы обработки материалов, которые применяются для удале-
ния материала с обрабатываемых поверхностей, с использованием элек-
трической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки, назы-
ваются электрохимическими (ЭХО).
В новых электрохических методах используется главным образом
процесс анодного растворения, т. е. переход металла детали, помещаемой
в электролизер в качестве анода, из металлического в ионное состояние:
гравирование и маркирование по металлам. На деталь, которая яв-
ляется анодом, наносят слой воска, лака или другого изолирующего ве-
щества. Анодное растворение протекает в тех местах, где металл не изо-
лирован;
изготовление сеток (аналогично электрохимическому гравирова-
нию). Сетку-рисунок наносят изолирующим составом на поверхность
детали-анода: она предохраняет металл от растворения. Обнаженные
участки внутри лаковой сетки растворяются;
изготовление листового металла малой толщины путем анодного
растворения основано на этом же принципе.
Нанесение металлопокрытий и анодирование. Процесс нанесе-
ния металлопокрытий на поверхность металлических изделий методом
электролиза называется гальванотехникой. Гальванотехника подразде-
ляется на гальваностегию и гальванопластику.
Гальваностегия - электрохимическое нанесение металлов на ме-
таллические изделия с целью улучшения их физико-механических
свойств, антикоррозионной защиты и декоративных качеств.
Гальванопластика — электрохимический процесс нанесения ме-
таллов на шаблоны, используемые при изготовлении штампов различ-
ных изделий (музыкальные пластинки-диски, типографские клише,
скульптуры и т. д.). Перед нанесением металлов шаблоны (из воска,
237
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
гипса, дерева и т. п.) покрывают слоем графита с целью придания их
поверхностям электропроводных свойств.
Анодирование - процесс нанесения оксидных антикоррозионных
покрытий на поверхности металлических изделий путем их анодной об-
работки в специальных растворах. Главным образом оно применяется
для защиты от коррозии изделий из алюминия, магния и их сплавов.
При анодировании на поверхности детали образуется двойной оксид-
ный слой: верхний - толстый пористый слой и нижний - тонкий плот-
ный. Алюминиевая оксидная пленка характеризуется хорошими анти-
коррозионными и электроизолирующими свойствами.
Для получения хорошей адгезии металлопокрытия с основным ме-
таллом поверхность детали тщательно очищают различными методами:
механическим (шлифование, полирование), электрохимическим (обез-
жиривание, травление), а также возможна ультразвуковая обработка.
Гальванические ванны для металлопокрытий выполняют из стали,
изнутри футеруют винипластом. По бортам ванн на изоляторах уста-
навливают анодные и катодные штанги, присоединяемые к выпрямите-
лю. На катодные шины подвешивают обрабатываемые детали, а на
анодные - пластины из металла, которым покрывается изделие. Нахо-
дящийся в ванне электролит подогревается.
Рабочие ванны включают в цепь последовательно, если для про-
цесса требуется одинаковый ток. При работе ванн с переменной нагруз-
кой каждая из них подключается к выпрямителю параллельно.
11.4.	Электроснабжение электрохимических технологий
Способ электрохимической обработки основан на анодном растворе-
нии металла, которое может идти на постоянном, импульсном, пульси-
рующем или асимметричном переменном токе. Источники питания (ИП) -
полупроводниковые выпрямители - преобразуют переменный синусои-
дальный ток в необходимую форму для электрохимической обработки
и должны соответствовать ряду требований: обеспечивать точность и ста-
бильность обработки; исключать разрушение электродов при коротких
замыканиях, осуществлять ступенчатую и плавную регулировку тока
и напряжения и их стабилизацию; быть экономичными, удобными в экс-
плуатации и малогабаритными. Технологические параметры ИП опреде-
ляются их внешними характеристиками. Они могут быть жесткими, есте-
ственными (слабопадающими) и крутопадающими [33].
238
Глава 11. Электролизные технологии
Рис. 11.1. Структурная схема источника питания установок ЭХО
Структурная схема ИП включает понижающий трансформатор, вы-
прямитель, цепь стабилизации условий обработки изделия, регулирова-
ния параметров процесса, устройства защиты источника питания и стан-
ка при нарушении хода обработки. В статических ИП регулирующими
элементами являются тиристоры. Они имеют малые массу и габариты,
меньшую инерционность, более высокий КПД и быстродействующую
систему защиты оборудования от коротких замыканий (рис. 11.1).
При подаче напряжения от сети после срабатывания автоматиче-
ского выключателя АВ и силового контактора К через датчики тока ДТ
напряжение подается на силовой трансформатор Т. Пониженное напря-
жение поступает на блок тиристоров Тр, работой которых управляет
система управления тиристорами СУТр. Изменяя подаваемые СУТр
сигналы, можно получить различную форму выпрямленного напряже-
ния и тока. Система реверсирования СР обусловливает смену полярно-
сти ИП.
При сбое рабочего режима установки, с датчиков тока ДТ на систе-
му автоматического регулирования САР подаются сигналы, по которым
СУТр запирает тиристоры. Команда на отключение силового контактора
К подается системой защиты и сигнализации СЗС, в результате ИП от-
ключается от сети.
Предусматривается отключение в источнике питания и от сети,
и от силового трансформатора, что обеспечивает нормальную работу
электрической части оборудования. Система автоматического регули-
рования стабилизирует напряжение или ток в межэлектродном проме-
жутке. Исполнительным органом САР является магнитный усилитель,
обмотки управления которого питаются от датчиков тока ДТ, межэлек-
тродного промежутка МЭИ и опорного напряжения. Схему управления
тиристорами СУТр подключают к выходу магнитного усилителя.
239
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
Рис. 11.2. Принципиальные схемы тиристорного источника питания
установок ЭХО
На рис. 11.2 представлены принципиальные схемы тиристорных
ИП установок ЭХО на токи выше 600 А. В схеме рис. 11.2, а использу-
ются тиристоры Тр1 на первичной стороне силового трансформатора Т1
с неуправляемым выпрямителем В2 на его вторичной стороне. Тиристо-
ры включены в рассечку фаз сети (рис. 11.2, а) или по трехфазной мос-
товой схеме в разрыв нейтрали звезды на первичной стороне трансфор-
матора (рис. 11.2, б).
С целью получения жесткой внешней характеристики ИП блок 4
управляет тиристорами по сигналам обратной связи 3 по выходному на-
пряжению с МЭП (рис. 11.2, а). Для создания крутопадающей характе-
ристики (рис. 11.2, б) тиристоры управляются сигналом обратной связи
в функции тока нагрузки. Сигнал поступает в блок управления 4 с рези-
стора 2. Естественная внешняя характеристика выпрямителя получается
поддержанием заданного угла ее наклона за счет обратных связей по
току и напряжению. Дроссели Др включают для уменьшения пульсаций
рабочего тока при тиристорном регулировании.
> Электрохимия проникла во все отрасли машиностроительной
индустрии и имеет важное значение для защиты стальных изделий от кор-
розии. Электролиз является основой для получения алюминия, рафиниро-
вания меди и других цветных металлов. Электрохимическая обработка
изделий позволяет осуществлять целый ряд процессов с использованием
240
Глава 11. Электролизные технологии
электрического тока: гравирование и маркировку по металлам, гальвано-
стегию и гальванопластику, анодирование и др. Данная технология обра-
ботки деталей позволяет осуществлять процесс осаждения или растворе-
ния металла, не оказывая на него теплового воздействия.
В практике нередко возникает необходимость обработки деталей
с высокими физико-механическими свойствами, имеющими сложную
форму или криволинейные отверстия. В этом случае электрохимия ока-
залась бессильной. На помощь производственникам пришла технология
электроэрозионной обработки металлических изделий. Следующая гла-
ва будет посвящена ей.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить напряжение на электролизной ванне, в ко-
торой используются электролиты из меди и цинка. Площадь электрода
S = 0,15 м2, расстояние между электродами L = 0,1 м. Сила тока I = 3 А,
удельная электропроводность электролита К = 0,13 Ом • м. Анодный
потенциал Ua = +0,34 В; катодный UK = -0,76 В.
Решение. Напряжение, В, на электролизной ванне
где U- падение напряжения в электролите, В;
ЭЛ
где j - плотность тока, А/м2;
— = 20.
0,15
Тогда
Цэл =20-
— = 15,4.
0,13
Получаем
Ответ'. U= 14,96 В.
241
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
Пример 2. Ток силой 1= 100 кА пропускали через расплавленную
смесь криолита и глинозема в течение t = 2 ч. Вычислить массу т.\\ вы-
делившегося на катоде алюминия и объем выделившегося кислорода
(условия нормальные), если известно: молярная масса М = 27 г/моль,
коэффициенты п = 3, F = 96 500.
Решение. Массу алюминия, л, определяем по формуле
тм = Mlt/nF.
Получаем
тм =
27-100 000-7 200
3-96 500
= 67,15 кг.
Объем выделившегося кислорода, л, вычисляется как
VJt
где V3 - эквивалентный объем кислорода, л; F = 5,6 л [33].
Получаем
Го
5,6-100 000-7 200
96 500
= 41,782 л.
2
Ответ: тА1 = 67,15 кг; ЕОг =41,782 л.
Задачи
1.	Найти массу основы катода площадью S = 850,89 мм2, полу-
ченной за 12 ч наращивания никеля при электродной плотности тока
j = 270 А/м2 и выходе по току ц = 0,98 %. Плотность никеля
р = 8,9 г/см3.
2.	Рабочее напряжение в ванне рафинирования никеля U = 3,2 В,
потери напряжения составляют AU = 3 % от напряжения на ваннах; вы-
ход по току г| = 96 %. Найти И\ - удельный расход электроэнергии на 1 т
рафинированного никеля.
3.	Найти толщину одного никелевого анода 5, если плотность никеля
р = 8,9 г/см3, площадь анода S = 850,980 мм2, плотность тока j = 300 А/м2,
выход по току г| = 0,98 %. Время наращивания никеля t = 24 ч.
4.	Найти первоначальную массу одного анода, если продолжи-
тельность работы анода площадью S = 0,64 м2 составляет 25 сут.
242
Глава 11. Электролизные технологии
Электродная плотность тока j = 220 А/м2; выход скрапа тскр = 17 %,
шлама тшл = 5 % от первоначальной массы анода. Выход по току
т| = 98 %.
Вопросы и задания для самопроверки
1.	Какие вещества называют электролитами?
2.	Объясните принцип прохождения электрического тока через
электролит.
3.	Что называется электролизом?
4.	На чем основана электрохимическая обработка материалов
в машиностроении?
5.	Каково принципиальное отличие гальваностегии от анодирова-
ния?
6.	Перечислите требования к источникам питания ЭХО.
243
Глава 12. ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
12.1.	Теория электроэрозионных процессов
При обработке деталей с высокими физико-механическими свойст-
вами используют метод размерной обработки — так называемую элек-
троэрозионную обработку, которая базируется на эффекте расплавления
и испарения микропорций металла под тепловым воздействием импуль-
сов электрической энергии. Она выделяется в канале электроискрового
заряда между поверхностью детали и электродом-инструментом, погру-
женным в жидкий диэлектрик (керосин, солярка). Идущие друг за другом
импульсные разряды заданной длительности и формы вызывают выплав-
ление и испарение микропорций металла.
Электроэрозионная обработка позволяет обрабатывать токопрово-
дящие материалы любой механической прочности, вязкости и хрупкости,
получать детали сложных форм и осуществлять операции, не выполняе-
мые другими методами. Этот способ существенно снижает трудоемкость
по сравнению с обработкой резанием и характеризуется возможностью
механизации и автоматизации с целью глубокого регулирования пара-
метров процесса.
При этом электроэрозионная обработка имеет ряд серьезных недос-
татков: производительность при такой обработке стали, цветных металлов
и др. значительно ниже, чем при обработке резанием, а расход энергии
выше; для получения высокой чистоты обрабатываемой поверхности при-
ходится затрачивать больше времени, чем, например, при абразивной об-
работке [3, 5, 7, 19].
Схема физических процессов, происходящих в межэлектродном за-
зоре, при электроэрозионной обработке показана на рис. 12.1. Через воз-
никший канал проводимости - стример 3 (рис. 12.1, а) - в виде импульса
выделяется электрическая энергия, накопленная в ИП (рис. 12.1, б). При
этом происходит электрический разряд 5, для которого характерна дли-
тельность 10 6-10 4 с и падающая вольт-амперная характеристика. Во
время разряда процесс проходит искровую и дуговую стадии. Ввиду
высокой концентрации энергии в зоне разряда и приэлектродных облас-
тях возникают высокие температуры, под воздействием которых обра-
зуется парогазовая полость 7.
244
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических изделий
Рис. 12.1. Схема физических процессов в межэлектродном промежутке при
электроэрозионной обработке: а — канал сквозной проводимости; б — им-
пульс выделяющейся энергии; в - выброшенные капли жидкого металла из
зоны обработки; 1 - обрабатываемая деталь; 2 - жидкость, не проводящая
ток; 3 - стример; 4 - электрод-инструмент; 5 - электрический разряд;
б - жидкий металл; 7 - парогазовая полость; 8 - приэлектродная область;
9 - сферические частицы
В приэлектродных областях 8 возникает плавление и испарение
микропорций металла на поверхности электрода-детали. В результате
возникшего давления капли жидкого металла 6 выбрасываются из зоны
разряда и застывают в жидкой среде мелкими сферическими частицами 9
(рис. 12.1, в).
По завершении пробоя электрическая прочность межэлектродного
промежутка восстанавливается. Очередной разряд возникает уже в дру-
гом месте между другими неровностями поверхностей электродов. Во
время процесса электрод-инструмент может внедряться в обрабатывае-
мую деталь.
Освобождающаяся в столбе разряда энергия расходуется на испа-
рение жидкости и представляет собой потери энергии. Это обусловило
уменьшение длины межэлектродных промежутков между электродами
(1-10 мкм), что диктуется также условиями техники безопасности по
снижению рабочего напряжения установки.
Возникающая электрическая эрозия электродов характеризуется
процессами, проходящими в приэлектродных областях на границе раз-
ряда, с одной стороны, и анодом или катодом - с другой. Интенсив-
ность электрической эрозии определяется тепловыми и электрофизиче-
скими свойствами металлов.
245
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
12.2.	Характеристики импульсных разрядов
и источников питания
Главным требованием к генераторам импульсов (ГИ) является необ-
ходимость достижения высокого КПД процесса. Импульсы еще опреде-
ляются свойствами межэлектродного промежутка (МЭИ), являющегося
резко нелинейным элементом электрической цепи.
Устойчивость импульсов тока - стабильность их длительности
зависит от постоянства свойств МЭИ и крутизны переднего фронта им-
пульса напряжения. Чем больше эта крутизна, тем устойчивее импульсы
тока. Это еще одно из требований к генераторам импульсов - высокая
степень крутизны переднего фронта импульса напряжения.
Подачу импульсов энергии к МЭИ при электроэрозионной обра-
ботке осуществляют по структурной схеме, приведенной на рис. 12.2.
В момент времени ти коммутатор К замкнут и источник питания отдает
нагрузке (МЭИ) мощность Ри, которая в п раз превышает среднюю
мощность за период следования импульсов Т.
Питание процесса должно осуществляться источником мощностью
Pa=ImUm,	(12.1)
где ImvLUm- амплитудные значения тока, А, и напряжения, В, в течение
импульса. Мощность расходуется только в промежутке времени ти.
Потери в накопителе энергии очень малы. Отдаваемая им в МЭП
энергия составляет А = Рити, а мощность источника
Р = А/Т = Р т/Т = Р /п.
ИИ	и
Рис. 12.2. Блок-схема электроэрозионной установки, обеспечивающая им-
пульсную работу с накопителем энергии
246
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических изделий
Таким образом, при введении в схему накопителя энергии мощ-
ность источника можно уменьшить в п раз.
Блок-схема электроэрозионной установки, обеспечивающая им-
пульсную работу с накопителем энергии, представлена на рис. 12.2. Во
время паузы ти коммутатор К находится в положении 1 и через ограни-
читель тока накопителем от ИП потребляется мощность Р/п. Накопи-
тель в это время запасает энергию (в виде электрического поля конден-
сатора или электромагнитного поля индуктивности), а затем, при пере-
ключении коммутатора К на время импульса ти в положение 2, отдает
полученную мощность. Таким образом, эта схема дает возможность
трансформировать мощность источника в мощность на нагрузке.
Генераторы импульсов различают по принципу действия, конст-
рукции и параметрам импульсов и условно подразделяют на зависимые,
ограниченно зависимые и независимые. В первых двух параметры гене-
рируемых импульсов определяются физическим состоянием МЭП.
В независимых генераторах импульсы не связаны с состоянием МЭП.
12.3.	Области применения электроэрозионной обработки
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) деталей может осуществляться
профилированным или непрофилированным электродом-инструментом
(ЭИ). Размеры и форма рабочих поверхностей профилированного ЭИ из-
готавливаются в соответствии с заданной поверхностью детали.
Непрофилированный ЭИ имеет простейшую конфигурацию (про-
волока, диск или стержень), а его размеры лишь отчасти увязаны с раз-
мерами электрода-детали.
Формообразование при обработке детали электроэрозионным ме-
тодом возможно по трем схемам:
1)	копирование формы электрода-инструмента, являющегося об-
ратным отображением формы детали. По заданной схеме обработки
при поступательном движении ЭИ он внедряется в заготовку по мере
удаления металла из зоны обработки под воздействием импульсов. Точ-
ность формы получаемой детали в данном случае зависит от точности
изготовления ЭИ и его износа;
2)	взаимное перемещение заготовки и электрода-инструмента
по заданному контуру. Схема формообразования имеет подобные опе-
рации, что и при механической обработке. Съем металла с заготовки
247
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
происходит за счет эрозии удаляемого металла под действием подавае-
мых импульсов электрической энергии;
3)	сочетание обеих схем формообразования. Производя взаимное
перемещение специального инструмента и заготовки по определенному
алгоритму, изготавливают деталь сложной формы. Эта схема требует
специального оборудования и электродов-инструментов.
Самое широкое распространение получила первая схема. Операции,
выполняемые по данной схеме, называют копировально-прошивочными.
Электроэрозионное прошивание круглых отверстий сплошным электро-
дом-инструментом — наиболее часто применяемая в машиностроении
операция. Ее частным случаем является технология прошивания отвер-
стий с криволинейной осью.
Станки, предназначенные для электроэрозионной обработки, бы-
вают двух типов: копировально-прошивочные и для обработки непро-
филированным инструментом.
Электроэрозионный копировально-прошивочный станок предна-
значен для создания полостей сложной формы. Он имеет станину, рабо-
чий стол для установки детали, ванну с рабочей жидкостью, устройства
вертикального, поперечного и продольного перемещений ЭИ, генератор
импульсов, блок управления станком, емкость с рабочей жидкостью
и дополнительные устройства.
Электроэрозионные станки для проволочной вырезки оборудова-
ны электроконтактной копировальной системой. В качестве щупа здесь
используется сам электрод-проволока. Станком данного типа может
служить электроискровой станок для профильной вырезки по копиру
модели 4531, используемый для получения деталей со сложным конту-
ром. Его модификация - станок модели 453 Ш имеет числовое про-
граммное управление, т. е. работает в автоматическом режиме.
В электроэрозионных станках для обработки непрофилирован-
ным инструментом тонкая медная, латунная или вольфрамовая прово-
лока перематывается с одной катушки на другую. Электрод-заготовка
(ЭЗ) устанавливается на рабочем столе и может перемещаться по коор-
динатам X и Y. Один из зажимов генератора импульса крепится к элек-
троду-инструменту (чаще - отрицательный), второй - к ЭЗ.
Движение электрода-инструмента обеспечивается электроприводом.
Контроль за процессом ведут с помощью вольтметра и амперметра. Кроме
регулирования электрического режима в установках ЭЭО осуществляют
автоматическое регулирование перемещения электрода-инструмента. Для
этого применяют автоматические регуляторы МЭП, которые должны
248
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических изделий
точно поддерживать установленный зазор, обладать малой инерционно-
стью всех элементов, быть малогабаритными и экономичными, недоро-
гими в изготовлении и надежными в работе.
Чаще всего применяют регуляторы взвешенного типа. Сила тяже-
сти несущего электрода-инструмента частично или полностью уравно-
вешивается усилием электромагнита, которое зависит от падения на-
пряжения на разрядном промежутке. В регуляторах жесткого типа элек-
тродвигатель, согласно полученному сигналу, перемещает ЭИ вверх или
вниз.
В электроэрозионных станках напряжение до 250 В подводится
непосредственно к электродам. Хотя при работе оба электрода малодос-
тупны, токоведущие части станка должны быть ограничены для доступа
металлическим заземленным корпусом. При питании станков от генера-
тора импульса источники снабжены импульсными трансформаторами
и имеют низкое напряжение разряда. Тем не менее необходимо иметь
заземление хотя бы одного из электродов во избежание появления на
них высокого напряжения.
На станки с батареями конденсаторов необходимо устанавливать
сопротивления для снятия зарядов. В станках с высоким напряжением
на конденсаторах устанавливают блокировки, которые автоматически
разряжают батарею замыкателем при открывании дверей шкафа. При
питании схемы управления от сети напряжением 220-380 В установ-
ленная блокировка на дверцах шкафа при их открывании отключает от
сети все цепи управления.
12.4.	Особенности электроконтактной обработки
В настоящее время для съема материала с электропроводной заго-
товки применяется электроконтактная обработка (ЭКО). Данный вид
обработки использует электроэрозионный принцип формообразования,
поэтому для ЭКО характерны многие закономерности электроэрозион-
ной обработки [3, 7, 19].
Напряжение Uc от сети поступает на трансформатор 1 (рис. 12.3).
Со вторичной обмотки напряжение 40 В подается на два электрода, один
из которых - диск 2 - изготовлен из электропроводного материала, вто-
рой - заготовка 3. Дисковый ЭИ вращается от привода с частотой и.
Механическим устройством создается прижимающая диск к заготовке
249
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
сила Gnp. Наряду с вращением диску сообщается поступательное дви-
жение вдоль рабочей поверхности со скоростью оин. Межэлектродный
промежуток заполнен непроводящей рабочей средой — воздухом, жид-
костью, газожидкостной смесью.
Электроды в этом процессе находятся одновременно под механи-
ческим и электрическим воздействием. Мощность электрического воз-
действия определяется выражением
P3J1=t//cos(p,	(12.2)
где U - действующее значение напряжения, В; I - действующее значе-
ние тока, А.
Мощность механического воздействия
Рмех = 2л/Иси/60,
где Мс - момент сопротивления на валу ЭИ; п — частота, об/мин;
Mc=Gcra,	(12.3)
где Gc - сила сопротивления, Н;
Gc=k^Gnp,	(12.4)
где /<|р - коэффициент трения между электродами; GIip - сила прижа-
тия, Н; гд - радиус диска, м.
Рис. 12.3. Схема электроконтактной обработки
250
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических изделий
Суммарная мощность, поступающая в МЭП,
Р = UI cos ф + (2л / 60>Спр£тргд.	(12.5)
Соотношения между механической и электрической мощностями
позволяют получать различные режимы ЭКО. Если механическая
мощность превосходит электрическую, то энергия в МЭП и ЭКО носит
преимущественно механический характер. При высоких напряжениях
и незначительной механической силе Спр в ЭКО преобладает электро-
эрозионный процесс. Во втором случае электрическая энергия превраща-
ется в тепловую, согласно закону Джоуля - Ленца, в области кратковре-
менного электрического контакта между участками электродов в резуль-
тате возникновения электрических разрядов между электродами, как
и при электроэрозионной обработке.
В общем же случае действуют три источника энергии: механиче-
ский, электроконтактный и электроэрозионный. При конкретных усло-
виях возможны различные сочетания этих источников, дающие большое
разнообразие процессов по их физической сущности. Так, при низких
напряжениях (1-2 В) превалирующим является механическое трение.
При напряжении 2-10 В электрическая энергия превращается в тепло-
вую за счет контактного сопротивления (электрические разряды при
этом отсутствуют). При напряжении выше 10 В уже идет электроэрози-
онный процесс. Такой вид ЭКО называют электроконтактно-дуговой
обработкой.
Для ЭКО применяется несложное оборудование. Станки для ЭКО,
как правило, изготавливают на базе металлорежущих станков. В случае
ЭКО на переменном токе не требуется разработки специальных источ-
ников питания. Применяемые для этих целей источники питания со-
держат понижающие трансформаторы, со вторичной обмотки которых
напряжение подается на электроды.
Для ЭКО мощность применяемых трансформаторов составляет от
30 до 500 кВ * А при напряжении на вторичной обмотке 30—70 В (марки
СТЭ-34, ТСД-10-3, ТК-16-31, ТСУ-120/05 и ряд специальных типов).
В станках для ЭКО токи достигают до 15 кА при высоких напряжени-
ях. При таких режимах важен правильный выбор токопроводов к элек-
тродам. При неподвижном электроде-заготовке токоподвод делают из
двух элементов: скользящей щетки, подводящей ток к электроду-
инструменту, и контакта, жестко соединенного с ЭЗ. При одновремен-
ном движении ЭИ и ЭЗ токоподвод к ним от зажимов вторичной обмотки
251
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
трансформатора также осуществляется щеточными устройствами. При
разрезании заготовки двумя самостоятельными дисками клеммы транс-
форматора через щетки подключают к каждому из дисков отдельно.
Электроконтактная обработка на переменном токе более эффек-
тивна, чем на постоянном токе: это и экономия электроэнергии, и сни-
жение стоимости оборудования и установленной мощности, а также
уменьшение занимаемой полезной площади. Использование переменно-
го тока существенно улучшает электробезопасность при ЭКО.
> Преимуществом электроэрозионной обработки является воз-
можность обработки металлов независимо от их механических свойств.
Этот способ позволяет получать детали сложных форм, выполнить кото-
рые другим путем просто невозможно, например криволинейное отвер-
стие или канал в массивной детали. Одним из недостатков электроэрози-
онной обработки является малая производительность и существенный
расход электроэнергии по сравнению с механическим способом. Заметно
улучшить эти показатели удается при электрохимико-механической об-
работке металлических деталей. С этим процессом познакомит сле-
дующая глава.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Найти окружную скорость диска о, если площадь сече-
ния диска S = 640 • 103 мм2, глубина проникновения тепла в диск при
контактно-дуговой резке труб Ад = 4 • 10~3 см, угол резки а = 10°.
Решение. Определим радиус диска:
г = 7^Л=л/б40-103 / 3,14 = 451 см.
Вычислим критерий Пекле:
Ре = 1/Ад = 1/(4-10“3) = 67,6 103.
Найдем угловую скорость диска:
& = Реа/г2 = 67,6• 103 -10/4512 = 3,326 с’1.
252
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических изделий
Окружная скорость диска
о = сог/ос = 3,326 • 451/10 = 150 мм/с.
Ответ: окружная скорость диска и = 150 мм/с.
Пример 2. Определить суммарную мощность, поступающую в меж-
электродный промежуток, при ЭЭО, если известно: U = 220 В, R = 5 Ом,
cos ф = 1. Дисковый ЭИ вращается с частотой п = 150 об/мин, радиус
диска гд = 2 м, сила сопротивления Gc = 757 Н.
Решение. Суммарная мощность, кВт,
Р = UI со8ф + 2тг/Ис(т7/60),
где Мс — момент силы, Н ♦ м;
М = G г '
lvlc ^с'д’
мс = 757-2 = 1 514Н.
Величина тока
I = и/R = 220/5 = 44 А.
Суммарная мощность
Р = 220-444 + 2-3,14-1 514(150/60) = 33,5кВт.
Ответ'. Р = 33,5 кВт.
Задачи
1.	Определить суммарную мощность, поступающую в межэлек-
тродный промежуток, при электроконтактной обработке металла, если
известно: напряжение вторичной обмотки трансформатора - 30 В, ток
в цепи - 50 A, cos ф = 0,6; приводный двигатель вращается с частотой
со = 3 000 об/мин, момент сопротивления на валу - 40 Н -м, радиус дис-
ка г = 0,3 м, коэффициент трения между электродами = 1,2.
2.	Найти глубину проникновения тепла Ас/ в диск при контактно-
дуговой резке труб, если известно: угол резки а = 10°, площадь сече-
ния диска S = 640-103мм2, окружная скорость диска о = 150 мм/с.
3.	Определить шероховатость поверхности алюминия при черновом
режиме электроэрозионной обработки, если глубина лунки - 0,5-10-3 м,
253
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
а ее радиус г = 0,015 10~3м. Производительность обработки при частоте
следования импульса f= 50 Гц равна 8 000 мм3/мин. Коэффициент пере-
крытия лунок Р = 1,1.
4.	Найти суммарный тепловой поток, поступающий на катод, если
плотность ионного и полного тока /и = 1,5 • 104 А/м1 2 3 4 5, на катоде ук = 900 А/м2,
кинетическая энергия ионов UK = 300 Дж, работа выхода с катода
Фк = 2,8 Дж; напряженность поля Ек = 60 В/см, время импульса ти = 50 с,
количество частиц /7Н0В = 700, температура частиц - 200 К.
5.	Определить межэлектродный зазор Необходимо обработать
отверстие квадратной формы габаритными размерами 25x25 мм. При-
пуск под обработку составляет с = 0,25 мм на сторону, режим обработки:
значение среднего тока /Ср = 4 А, скважность g = 4, частота/= 66 кГц, на-
пряжение холостого хода UXx = 200 В, длина вертикальной трассы уда-
ления продуктов эрозии h = 15 мм. Минимальный допуск по размерам
отверстий - 0,025 мм. Электроды: ЭИ - медь, деталь - сталь 45. Пони-
жение напряжения Uc питающей сети на 10 % приводит к снижению
мощности на 17 %.
Вопросы для самопроверки
1. В чем заключается принцип электроэрозионной обработки?
2. Какие требования предъявляются к генераторам импульсов?
3. По каким схемам можно осуществить формирование обрабаты-
ваемой детали?
4. В чем состоит принцип электроконтактной обработки?
5. Какова суммарная мощность, поступающая в МЭП?
254
Глава 13. ЭЛЕКТРОХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ЭЛЕКТРОЛИЗА
13.1.	Технология анодно-абразивной обработки
Анодно-абразивная обработка базируется на анодном растворении
и механическом (абразивном) воздействии на обрабатываемую деталь.
При этом процессе на поверхность электрода-заготовки (ЭЗ) воздейст-
вуют: электрический ток, вызывающий анодное растворение; механиче-
ская сила, создаваемая частицами абразива; тепловой поток, приводя-
щий к тепловой эрозии поверхностных слоев ЭЗ.
Условная схема межэлектродного промежутка (МЭП) при анодно-
абразивной обработке (ААО) показана на рис. 13.1. Электрод-инструмент,
поверхность которого со скоростью ои движется вдоль поверхности ЭЗ,
подключен к отрицательному полюсу, а ЭЗ - к положительному. Меж-
электродный промежуток заполняется раствором электролита.
Рис. 13.1. Схема межэлектродного промежутка при анодно-абразивной обра-
ботке: а - электрохимический процесс; б - абразивная обработка; 1 - элек-
трод-инструмент; 2 - источник постоянного тока; 3 - электрод-заготовка;
4 - раствор электролита; 5 - выступ; tzmjn — минимальный зазор межэлек-
тродного промежутка
255
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
Воздействующая на электрод-инструмент сила G поджимает его
к ЭЗ, но так, чтобы между обоими телами не было обширного контакта
и их электропроводные поверхности были разделенными зазором <тт;п.
При этом через МЭП протекает ток /, расходуемая на обработку электри-
ческая мощность Р -UI, где U - напряжение источника питания (ИП).
Сила G вызывает силу трения Gip, которая приложена к поверхно-
сти ЭИ, движущегося со скоростью ои. Таким образом, для обработки
детали затрачивается также механическая энергия А - г>и(7тр.
В процессе ААО в первую очередь удаляются выступы 5 на ЭЗ
(рис. 13.1). Во впадинах под действием тока металл удаляется менее ин-
тенсивно из-за увеличения МЭП - зазора а, длина которого
® ~ Цпт + max ’
где с/тт - расстояние между ЭИ и вершинами выступов ЭЗ; 7?Zmax - мак-
симальная глубина впадин ЭЗ, или радиус кривизны гкр (рис. 13.1, а).
Снятые с поверхности ЭИ частицы вещества могут находиться
в трех состояниях: химически связанном с компонентами электролита
(как при ЭХО), в виде застывших микрокапель металла (как при ЭЭО)
и в виде металлических сколотых частиц. Изменять доминирующую
роль любого из воздействий можно подбором составляющих режима.
Активное снятие материала с микровыступов обеспечивается под-
бором электрического и механического режимов, подбором ЭИ, изго-
товленного из различных абразивных материалов, а также применением
электролитов различного состава.
Одновременно с процессом ААО происходит не только анодное рас-
творение некоторого микроучастка: на нем нарастает и пассивирующая
пленка, препятствующая дальнейшему снятию металла. Она образуется
вследствие наличия в процессе соответствующих растворов. При ААО
используют электролиты, которые образуют слои оксидов или нераство-
римых соединений металла. Поэтому по истечении времени на первона-
чально токопроводящем микроучастке обрабатываемой поверхности
плотность тока снижается. Для возобновления процесса анодного раство-
рения на пассивном участке необходимо удалить образовавшуюся на его
поверхности окисную пленку. Для очистки микровыступов от этой пленки
применяют механическое (абразивное) воздействие на ЭЗ.
Интенсифицировать обработку микровыступов можно подбором
режимов, при которых плотность тока на выступах будет больше, чем
во впадинах.
256
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза
Электролит, заполняющий МЭП, расширяется при прохождении
через него рабочего тока вследствие газовыделения и выделения тепло-
ты. Для сближения электродов нужно приложить внешнее усилие G,
которое уравновешивает гидростатическое давление. Так, равновесие
наступает при зазоре, которому соответствует среднее давление элек-
трода-инструмента
(13.1)
где F3 - площадь обрабатываемой поверхности.
При давлениях выше Рэи электропроводные участки касаются
друг друга, что приводит к механическому срыву пассивирующей плен-
ки и короткому замыканию на большой площади. При малой же внеш-
ней силе длина МЭП увеличивается, при этом падает отношение плот-
ностей токов на выступах и впадинах увыст/увп. С увеличением зазора
анодно-абразивная обработка переходит в электрохимическую. Следо-
вательно, увеличение МЭП и устранение механического контакта элек-
тродов увеличивает эффективность электрохимических процессов
в снятии металла с электрода-заготовки. В процессе А АО частицы абра-
зива либо вводят в электропроводный материал дискового ЭИ, либо
применяют раствор, содержащий абразивные частицы.
13.2.	Технология анодно-механической обработки
Одновременное использование электроэрозионных и электрохи-
мических процессов, происходящих в межэлектродном промежутке ме-
жду электродом-инструментом и электродом-заготовкой получило на-
звание анодно-механической обработки (АМО) [3, 7, 19].
Во время этой обработки в МЭП наблюдается образование нерас-
творимых соединений атомов металла заготовки с анионами электроли-
та. В качестве электролита применяется водный раствор жидкого стек-
ла. Атомы железа, переходящие в электролит в процессе анодного рас-
творения, соединяются с силикат-анионами и образуют нерастворимое
соединение, выпадающее на ЭЗ в виде пленки (рис. 13.2).
Анодно-механическая обработка заключается в удалении микро-
выступов с поверхности ЭЗ термоэрозионным способом.
При подаче высокого напряжения и большого давления ЭИ на де-
таль плотность тока на выступах достигает значений, при которых пре-
обладающими становятся электротермические явления, вызывающие
257
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
локальное выделение тепла. При электрическом контакте микровыступа
с ЭИ теплота будет выделяться и в осевшей пленке, на которую прихо-
дится определенное падение рабочего напряжения. Прохождение тока
будет вызывать нагрев или плавление пассивной пленки и проникнове-
ние теплоты в глубь микровыступа.
Плотность тока всегда больше внутри микровыступа, чем на его по-
верхности. Если выступ принять за полусферу с радиусом кривизны гкр,
то площадь выступа определяется по формуле
^ = 2^кр-
Ток через поверхность
I — 2лг2 z
кр^выст
будет больше в основании выступа, т. е. на площади лг2р. Из этого сле-
дует, что плотность тока во впадине в 2 раза больше, чем на вершине,
и гораздо выше наблюдаемой средней плотности тока.
Энергия, выделяющаяся в местных объемных источниках, доста-
точна для микровзрывов выступов. В основании микровыступа матери-
ал плавится. Тепловой взрыв приводит к термоэрозионному съему ме-
талла с выступа и образованию лунки (впадины), на дне которой обна-
жается покрытый пленкой металл. После остывания и заполнения лунки
электролитом на ее поверхности идет анодное растворение, заканчи-
вающееся образованием непроводящей пленки. Данный процесс повто-
ряется, когда поверхность лунки вновь станет выступом.
Рис. 13.2. Схема анодно-механической обработки: 1 — обрабатываемая де-
таль; 2 - пассивная пленка; 3 - электролит; 4 - электрод-инструмент;
5 - канавка
258
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза
При анодно-механической обработке одновременно с термоэрози-
онным разрушением детали идет электрическая эрозия электрода-
инструмента, вызванная разрядами между ближайшими выступами
электродов. При напряжении 20—25 В возможно возникновение дугово-
го разряда, разрушающего пассивную пленку и даже сами микровысту-
пы, вместо которых образуются лунки. Длительность электрических
разрядов мала, так как они механически прерываются ввиду высокой
скорости движения поверхности ЭИ.
Электроэрозионно-химическая обработка. В технологических
процессах формообразования с использованием совмещенной электро-
эрозионно-химической обработки (ЭЭХО) удаление металла осуществ-
ляется благодаря анодному растворению и электроискровой эрозии
(ЭИЭ) в потоке электролита, прокачиваемого через МЭП. Для предот-
вращения шлакования и увеличения мощности обработки диэлектриче-
ские углеродсодержащие жидкости заменяют водными растворами.
Схема такой обработки показана на рис. 13.3. Электроды включа-
ются на прямую полярность. На электроды, разделенные МЭП, подается
напряжение U от источника питания. Электролит (например, раствор
поваренной соли) подается через отверстие в ЭИ. Раствор в МЭП обла-
дает определенной диэлектрической прочностью. Его пробой происхо-
дит при определенном значении напряжения (/пр.
При U < (/Пр формообразование заготовки осуществляется только
анодным растворением. Когда же U » (7, происходит пробой МЭП,
а там, где его диэлектрическая прочность наименьшая, возникает канал
разряда 5, заполненный плазмой.
Рис. 13.3. Схема электроэрозионно-химической обработки: 1 — катод (ЭИ);
2 - отверстие для подачи электролита; 3 - МЭП; 4 - анод (ЭЗ); 5 - канал
разряда
259
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
На ЭЗ в зоне разряда происходит расплавление металла, образова-
ние лунки и выброс выплавленного металла в электролит. Вне парогазо-
вой полости металл, образующийся вокруг электрического разряда, пе-
реходит в раствор в ионном состоянии.
При ЭЭХО удаленный с ЭЗ металл находится в виде застывших
капель расплава (как при ЭЭО) или в виде образующих шлам нераство-
римых соединений (как при ЭХО). Когда мгновенное значение U стано-
вится меньше напряжения горения дуги, то дуговой разряд прерывается
и формообразование протекает как при ЭХО, пока мгновенное напря-
жение вновь не превысит уровень пробивного напряжения.
Два механизма удаления металла совмещаются только во времени,
но не в пространстве. Одновременно они могут протекать только на
разных участках электрода-заготовки детали.
13.3.	Технология электрохимической обработки
Электрохимическая обработка деталей имеет следующие особен-
ности:
1)	характеризуется высокой производительностью при высокой
чистоте обработки;
2)	возможно широкое регулирование режимов обработки (от чер-
новой до чистовой) без прерывания процесса;
3)	возможна обработка токопроводящих материалов (металличе-
ских и металлокерамических) любой твердости;
4)	это малоотходная технология по сравнению с традиционной ме-
ханической обработкой.
Однако данная технология не лишена некоторых недостатков,
главным из которых является необходимость взаимного относительного
перемещения инструмента и обрабатываемой детали, что ограничивает
область применения такого метода обработки в сравнении с процессами
резки и шлифования.
Чистовая анодно-механическая обработка осуществляется за счет
анодного растворения металла при протекании электрического тока че-
рез электролиты. Обработка происходит при непрерывном удалении
пленки вращающимся диском-инструментом, а также действием элек-
тролиза, вызывающего растворение металла анода в местах, очищенных
от этой пленки.
260
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза
Рис. 13.4. Анодно-механическое черновое шлифование: 1 — вращающийся
металлический диск (катод); 2 - обрабатываемая деталь
Обдирка - черновое шлифование (рис. 13.4) производится с помо-
щью вращающегося металлического диска-катода, который касается
поверхности обрабатываемого изделия, находящегося в электролите.
При черновом шлифовании устанавливают повышенную плотность то-
ка, поэтому процесс по характеру близок к электроэрозионному и при
высокой производительности обрабатываемая поверхность получается
шероховатой.
Электрохимико-механическая обработка (ЭХМО) осуществляется
с использованием электрически нейтральных инструментов. Ее приме-
няют для получения поверхностей высших классов чистоты. Она преду-
сматривает такие операции, как полирование в электролите с суспензи-
ей абразива, хонингование катодными головками с абразивными встав-
ками и т. д.
Для всех вариантов этого метода обработки общим является разде-
ление назначения токопроводящей и механической частей инструмента.
Главным преимуществом ЭХМО является возможность получения наи-
высшей чистоты поверхности по сравнению с анодно-механической об-
работкой, использование неагрессивных электролитов, а также работа
при низких напряжениях (2—16 В) [3, 19].
13.4.	Технологическое оборудование
электрохимико-механической обработки
Для питания установок ЭХМО применяют генераторы постоянного
тока, двухполупериодные выпрямители, импульсные генераторы и т. д.
При ЭХМО в источниках питания по сравнению с ИП электрохи-
мической обработки в меньшей мере сказываются возникающие корот-
261
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
кие замыкания, так как электроды быстро перемещаются относительно
друг друга. Поэтому данная технология упрощает конструкцию ИП
и делает их более надежными в эксплуатации.
Для установок анодно-механической обработки (АМО) источник
питания (рис. 13.5) включает трансформатор Т1, первичная обмотка ко-
торого включена в систему «звезда». Имеется ступенчатое регулирова-
ние выпрямленного напряжения с помощью переключателя П в каждой
из фазных обмоток.
Секции вторичной обмотки включаются по шестифазной схеме
выпрямления с уравнительным реактором УР. Подача команды в блок
автоматической подачи ЭИ происходит по цепи, включающей транс-
форматор Т2, выпрямитель и резистор R. Трансформатор Т2 является
магнитным усилителем с последовательно включенными обмотками,
питаемыми переменным током через выпрямитель. Обмоткой управле-
ния является выходная шина источника питания. Реле тока и автомати-
ческий выключатель В защищают от перегрузок и коротких замыканий.
Во время обработки напряжение питания не регулируется, что повыша-
ет требования к жесткости и устойчивости его внешней ВАХ.
Рис. 13.5. Схема источника питания установки
анодно-механической обработки
262
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза
> Совокупность механического и электрохимического воздей-
ствий на обрабатываемую деталь позволяет значительно повысить про-
изводительность технологического процесса и улучшить его энергети-
ческие показатели по сравнению с электроэрозионной обработкой. Это
достигается применением совмещенной электроэрозионно-химической
обработки, в результате которой происходит удаление металла благода-
ря анодному растворению и электроискровой эрозии в потоке электро-
лита, прокачиваемого через межэлектродный промежуток. Одним из
главных преимуществ этого способа является получение поверхностей
высших классов чистоты.
Электрический ток применяют и в качестве электромеханического
инструмента, например, при магнитно-импульсная обработке металлов.
Об этом способе говорится в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить плотность тока, проходящего через меж-
электродный зазор, при абразивной обработке. Площадь анода
5= 14 см2, напряжение сети U= 35 В, удельная электрическая прово-
димость у = 2,8 См/м.
Решение. Плотность тока, проходящего через межэлектродный за-
зор, А/см2, находят по формуле
где I - ток, А;
USy
а
где а - межэлектродный зазор, см;
1 г С ~-0,23 vl,25 jc-0,15 е0,02
а = 1,65 р А л 5	,
где р - давление круга, р = 5 Н/см2; Х= 4,5; К = 5 (Хи К - справочные
данные);
<7 = 1,65-5-0,23-4,51,25-50,15-140’02 =10,56.
263
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической обработки
Получаем:
/ = 35'14-^=129А;	/ = ^ = 9,28 А/см2.
10,56	14	1
Ответ: j = 9,28 А/см2.
Пример 2. Определить среднюю скорость растворения алюминия
в электролите (10%-ный раствор хлорида натрия) и скважность импуль-
сов, если скорость подачи для импульсного тока о 'и = 0,018 мм/с; удель-
ная проводимость электролита % = 0,0126 См/мм; напряжение на элек-
тродах U = 9 В; выход по току г| = 0,91; межэлектродный зазор
а = 0,002 м; припуск на обработку z = 0,05 мм; удельный вес алюминия
р = 2,8103 кг/м3; поправочный коэффициент £ = 0,9.
Решение. Средняя скорость растворения алюминия
Пер = Z / Т,
где т - время обработки, с;
Т = Z / ои,
где ии - средняя скорость подачи постоянного тока, мм/с;
1)и = т|^сШря= 0,91-0,9-0,0126-9/2,8-103-2-Ю”3 =0,016 мм/с.
Определим время обработки:
т = 0,05/0,016 = 3,125 с.
Определим среднюю скорость растворения алюминия:
1)ср = 0,05/3,125 = 0,0016 мм/с.
Скважность импульсов
q = ии/и^ = 0,0016/0,018 = 0,088.
Ответ: иср = 0,0016 мм/с; q = 0,088.
Задачи
1.	Найти т - массу растворенной стали 45, если известно: напряже-
ние, приложенное к растворяемому металлу, U = 20 кВ; сопротивление
264
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза
г = 10 Ом; электрохимический эквивалент 8 = 0,233 г/Кл; время прохож-
дения тока t = 60 с.
2.	Определить силу тока для осуществления ЭХО деталей при на-
пряжении на электродах U= 20 В. Омическое сопротивление столба элек-
тролита между электродами - 2,5 Ом, площадь обрабатываемой поверх-
ности S' = 185 мм2. Удельное сопротивление электролита - 90 Ом/мм2.
Выход по току i = 0,3 А, электрохимический эквивалент 8 = 0,3 г/Кл.
3.	Определить объем ванны при ЭХО материала, если общая пло-
щадь рабочей части электрода-инструмента So = 50 м2, а площадь нера-
бочих участков S' = 11 м2. Плотность тока в МЭП j = 150 А/м2.
4.	Определить напряжение на столбе электролита для параллель-
ного межэлектродного промежутка при анодно-абразивной обработке
материала, если известно: межэлектродное расстояние а = 0,02 м, сред-
няя электрическая проводимость уср = 0,5 См/м, ток I = 70 А, среднее
давление электролита Р = 20 МПа и внешнее усилие для сближения
электродов F = 30 Н.
Вопросы для самопроверки
1.	Какие факторы воздействуют на электрод-заготовку при ААО?
2.	Что такое МЭП?
3.	Благодаря чему происходит удаление металла с электрода-
заготовки при ЭЭХО?
4.	С помощью чего осуществляется черновое шлифование?
5.	Какой ток применяется при ЭХМО?
265
Часть V. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Глава 14. МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА
МЕТАЛЛОВ
14.1.	Теоретические основы
магнитно-импульсной обработки
Магнитно-импульсная обработка (МИО) металлов представляет
собой способ пластической деформации металлов, который возможен
при прямом преобразовании электроэнергии в механическую в обраба-
тываемом изделии [3, 7, 19].
Основой МИО являются электродинамические силы, возникаю-
щие в проводящем теле изделия, находящемся в переменном электро-
магнитном поле. Принцип действия этих сил заключается в следующем.
Из рассматриваемого тела (рис. 14.1) теоретически выделим элементар-
ный объем dv высотой d/z, шириной dr и длиной d/, через который про-
текает элемент тока d/. К элементу объема детали приложено механиче-
ское усилие dF, представляющее собой электродинамическую силу:
dF = dZ[d/5].	(14.1)
Здесь В — магнитная индукция, Тл, в точке, где находится элемент тока;
В = \\Н;
где ц - магнитная проницаемость, Гн/м; Н — напряженность магнитного
поля, А/м.
При протекании по индуктору переменного синусоидального тока
среднюю за период электродинамическую силу можно определить [34] как
dF = l/2Re{d/[d/F]},	(14.2)
где Re указывает на то, что в расчетах нужно брать действительную со-
ставляющую из комплексного выражения в фигурных скобках; d/ -
элемент тока, А;
266
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
d/ = jdq,
где j - плотность тока в данной точке, А/м2;
7 = стЕ,
где о - удельная электропроводность металла, А/мм2; Е - напряжен-
ность электрического поля, В/м; dq - поперечное сечение элемента тока;
В - магнитная индукция, Тл.
Подставив в формулу di = jdq выражение j = <зЕ, получим
dl = 1/dZ; В = цН; di = aEdq.
С учетом изложенного, уравнение (14.2) запишем в виде
dF = Re|oFd6/[l/d/ц/У ]| = d/ck/цст	=
= цо Re < — [FT/] > dv.
I
(14.3)
Здесь dv = dldq - элемент объема, занимаемый элементарным током.
Выражение в фигурных скобках уравнения (14.3) — это поток
энергии, действительную часть которого (Re) обозначим через S. Тогда
dF = цст8с1у.
Рис. 14.1. Электродинамические силы в проводящем теле,
помещенном в индуктор с переменным током
267
Часть V. Электромеханические технологии
Общий вид выражения для удельной электродинамической силы,
приложенной к единице объема проводника, будет иметь вид
Fyfl =dF/dv.
Тогда с учетом S получим
Гуд = ро5.	(14.4)
Из формулы (14.4) следует, что направление электродинамических
усилий и направление потока энергии в данной точке одинаковы.
Запишем выражение (14.4) в скалярном виде, мысленно приписав
FV1 направление потока энергии. Тогда в каждой точке металла электро-
динамические усилия создают давление, которое можно найти из фор-
мулы (14.4) для Fxl. Если в точке, где протекает элементарный ток dZ,
имеет место удельная сила Fyfl, тогда к элементарному объему dv = dtdq,
через который проходит ток d/, приложено бесконечно малое усилие
dF = F dv. Бесконечно малое давление, создаваемое этим усилием,
j д
равно его отношению к площади dQ (рис. 14.1):
, dF
Фсж = FF =	dv/d2 = ^уд d/,
d2
так как dv = dQdl.
В данной точке давление слагается из элементарных давлений,
создаваемых во всех элементах dv, лежащих между рассматриваемой
точкой и поверхностью металла (со стороны индуктора). Поэтому дав-
ление, обусловленное электродинамическими силами,
P^ = \Fyj^r или	(14.5)
о	о
Для вычисления F;i и рсж в каждом конкретном случае надо в урав-
нение (14.5) подставлять значение S, соответствующее этому варианту.
Возникающие электродинамические силы и вызванные ими давления
сжимают металлическое тело и вызывают деформации его стенок.
Установка МИО (рис. 14.2) имеет зарядное устройство, батарею
конденсаторов - накопитель энергии, коммутирующее устройство и ин-
дуктор. Батарея 3 заряжается через выпрямитель 2 от источника пита-
ния 1. По завершении зарядки батарея с помощью коммутирующего
устройства 4 замыкается на индуктор 6.
268
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
Рис. 14.2. Принципиальная схема электрической цепи установки для магнитно-
импульсной обработки металлов: 1 - источник питания; 2 - выпрямитель;
3 - батарея конденсаторов; 4 - коммутирующее устройство; 5 - изделие;
6 - индуктор
Протекающий по индуктору ток создает магнитный поток, кото-
рый пересекает металлическое изделие 5 и создает в нем вихревые токи.
При разрядке конденсатора емкостью С на индуктивную катушку
L импульс тока имеет длительность и форму, определяемые параметра-
ми разрядного контураR,Lu С. Выделяемую энергию в цепи LnR при
разряде конденсатора находят по формуле
>Гра,р=^72 + В/2т.	(14.6)
Так как R « L, то
^разр=0,572Цуст+А,ш),
где £уст - индуктивность установки (батареи конденсаторов, ошиновки
и разрядника); £ИНд _ индуктивность индуктора.
Энергия (14.6), выделяющаяся в цепи, идет на нагрев заготовки,
механическую работу деформации заготовки, нагрев проводников цепи
и частично рассеивается в пространстве. Коэффициент полезного дей-
ствия использования энергии батареи
Л — ^инд / ^разр — Дшд /
где L —	+ Туст.
269
Часть V. Электромеханические технологии
Давление на обрабатываемую заготовку (кг/см2) зависит от плот-
ности энергии электромагнитного поля и вычисляется по формуле
/> = 52-10”6/(8л),	(14.7)
где В - индукция магнитного поля, Тл.
При плавной скорости нарастания магнитного поля и значительной
длительности импульса давление может проникнуть за заготовку и вы-
звать обратную реакцию, что существенно ослабит результирующее дав-
ление на обрабатываемую заготовку. Для предотвращения противодавле-
ния необходимо, чтобы длительность импульса не превышала времени
деформации заготовки:
тдеф = 2л/Ё8 / V,	(14.8)
где 8 - перемещение стенки трубчатой заготовки в направлении обжатия,
см; 5 — толщина стенки заготовки; о - скорость перемещения стенки, см/с.
Скорость перемещения стенки заготовки при деформации
Г о	-11/2
о = I В2 /(4лу) I ,	(14.9)
где у - плотность материала заготовки, г/см3.
При разрядке конденсатора часть электромагнитной энергии WH
используется на нагрев материала заготовки:
^н=— pS,	(14.10)
8л
где р - удельное сопротивление материала заготовки, Ом-м; S — попе-
речное сечение заготовки, м2.
14.2.	Технологическое оборудование
магнитно-импульсной обработки
Установки для МИО включают два основных узла: подготовитель-
ный (накопление энергии и формирование импульсного напряжения
и тока) и технологический. К подготовительному узлу относятся генера-
торы импульсных токов, к технологическому — индукторы [3, 7, 19].
270
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
Генераторы импульсных токов преобразуют переменный ток
промышленной частоты в импульсы токов большой амплитуды. Глав-
ными элементами генератора являются зарядное устройство, батарея
конденсаторов, коммутирующее и поджигающее устройства.
В узел зарядного устройства входят повышающий трансформа-
тор, выпрямитель и пускорегулирующая аппаратура. Батарея конденса-
торов предназначена для накопления электрической энергии с дальней-
шей разрядкой на технологический узел. В установках МИО для этих
целей применяются импульсные конденсаторы. Они должны иметь
очень маленькую индуктивность, их конструкция должна обеспечивать
длительную работу в режиме близком к режиму короткого замыкания.
Объединение конденсаторов в батарею вызвано требуемой рабочей ха-
рактеристикой генератора импульсного тока. С целью уменьшения вре-
мени разрядки батареи конденсаторов и обеспечения кратковременности
выделения энергии в индукторе необходимо уменьшать общую индук-
тивность установки путем снижения индуктивности батареи конденсато-
ров, ошиновки и разрядника, что приведет к повышению эффективности
магнитно-импульсной обработки.
Коммутирующее устройство (коммутатор) предназначено для то-
го, чтобы в заданный момент подавать импульс напряжения на рабочую
катушку, пропускать возникающий импульсный ток за определенное
время и регулировать напряжение на конденсаторах. Коммутатор дол-
жен обеспечивать возможность регулирования рабочего напряжения,
пропускать значительные токи, иметь малую индуктивность и большой
срок службы. В установках применяют механические, ионные и дуго-
вые коммутирующие устройства.
Разрядники, применяемые в коммутирующих устройствах, быва-
ют трех типов: открытые, вакуумные и газонаполненные. Более вос-
требованными являются вакуумные и газонаполненные разрядники.
Они характеризуются широким диапазоном регулирования рабочего
напряжения, возможностью изменения давления в разряднике и спо-
собностью коммутировать значительную энергию. Электрическая
схема двухэлектродного газонаполненного разрядника показана на
рис. 14.3.
Применение МИО металлов разнообразно и определяется им-
пульсным характером и большой удельной мощностью возникающих
давлений. Данный метод преимущественно применяется для обработки
давлением тонкостенных металлических заготовок любых форм.
271
Часть V. Электромеханические технологии
Рис. 14.3. Схема двухэлектродного разрядника: а, Ь~ контрольные точки схе-
мы; (£п - LK - 0,5Го) — разрядная цепь; Ln — индуктивность поджигающей цепи;
LK - индуктивность колебательного контура; Lo - основная индуктивность;
(Сп -Ln-LK- 0,5£о) - колебательный контур схемы поджига; Со - основная
емкость; Сп — поджигающая емкость; КУ — коммутирующее устройство;
Рп - вспомогательный разрядник поджига
Рис. 14.4. Схема магнитно-импульсной обработки: а — соединение концов
труб; б - соединение труб муфтой; 1 - заготовки; 2 - соленоид; 3 - муфта
Главными преимуществами установок МИО (рис. 14.4) являются:
отсутствие движущихся и трущихся частей; простота управления и ре-
гулирования мощности; компактность, простота обслуживания; высокая
производительность; возможность механизации и автоматизации опера-
ций обработки.
К недостаткам МИО следует отнести: невысокий КПД процесса;
сложность обработки деталей с отверстиями или пазами, мешающими
прохождению тока; недостаточную долговечность индукторов при ра-
боте в электрических полях высокой напряженности; сложность обра-
ботки деталей большой толщины.
272
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
14.3.	Особенности устройства
электромагнитных насосов
Установки электромагнитной транспортировки жидких металлов
по принципу действия подразделяют на два вида: кондукционные и ин-
дукционные, хотя и те и другие являются насосами магнитогидродина-
мического принципа действия.
Кондукционные насосы перекачивают проводящую жидкость
в результате взаимодействия магнитного поля, создаваемого магнитной
системой насоса, с электрическим током, проходящим через находя-
щуюся в насосе проводящую жидкость.
Кондукционные насосы бывают постоянного и переменного токов.
Кондукционный насос постоянного тока (рис. 14.5) подобен электро-
двигателю постоянного тока, в котором обмотка якоря заменена элек-
тропроводящей жидкостью.
Принцип работы кондукционных насосов переменного тока анало-
гичен принципу работы насосов постоянного тока. Только в этом случае
направление тока должно изменяться с изменением направления магнит-
ного поля, создаваемого электромагнитной системой насоса. Как прави-
ло, такие насосы и трансформаторы объединяют в одну конструкцию.
Рис. 14.5. Схема кондукционного насоса постоянного тока: 1 - электромаг-
нит; 2 - канал с токопроводящими шинами 5; 3,4- регуляторы тока через
канал и катушку электромагнита; / —ток; В - магнитное поле
273
Часть V. Электромеханические технологии
Рис. 14.6. Схема насоса-трансформатора: 1 — магнитопровод; 2, 3 — обмотки
трансформатора; 4 - канал с жидкостью; 5 — токопроводящая шина
В каждый из полупериодов взаимодействие тока i и магнитного
потока Ф создает электромагнитную силу F, действующую в одном
и том же направлении (рис. 14.6).
Индукционные насосы для перекачки жидких металлов являются
одной из разновидностей магнитогидродинамических машин перемен-
ного тока. Подвижной частью в них является жидкий металл, для пере-
мещения которого применяется бегущее или вращающееся магнитное
поле, образованное трехфазной обмоткой переменного тока. Электро-
магнитные индукционные насосы могут быть винтовые и линейные.
Винтовой индукционный насос аналогичен асинхронному электро-
двигателю с полым ротором. Он имеет два статора (рис. 14.7): внешний 1
и внутренний 2. Трехфазная обмотка размещена в пазах магнитопровода
внешнего статора. Иногда трехфазная обмотка размещена и на внеш-
нем, и на внутреннем статоре. Между статорами в зазоре находится
плоская труба из немагнитного материала 4, внутри которой протекает
жидкий металл 3.
На рис. 14.7 представлена конструкция одновиткового насоса: тру-
ба с жидким металлом делает один виток вокруг внутреннего статора.
Она имеет сечение Л7, где Л - толщина слоя металла в радиальном на-
правлении; I — длина внутренней полости трубы, заполненной жидким
металлом, в осевом направлении.
При подключении к сети трехфазного тока в системе появляется
вращающееся магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в жидком
металле. Возникающие при этом электромагнитные силы заставляют
жидкий металл двигаться с линейной скоростью о в сторону вращения
274
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
поля. Процессы преобразования энергии в индукционном насосе с од-
ним витком жидкого металла могут быть описаны с помощью извест-
ных уравнений и схемы замещения асинхронного электродвигателя
с полым немагнитным ротором, если допустить, что индуктивное со-
противление рассеяния ротора при этом отсутствует.
Плоский линейный индукционный насос конструктивно схож с асин-
хронным линейным двигателем. Он состоит из двух плоских статоров-
индукторов, в пазах которых размещены трехфазные многополюсные об-
мотки. В зазоре между индукторами расположен плоский канал прямо-
угольного сечения, его внутреннюю полость заполняет жидкий металл.
Взаимодействие бегущего поля индукторов с индуцированными в жидком
металле вихревыми токами приводит к возникновению электромагнитных
сил. В результате их воздействия на элементарные объемы металла в нем
развивается давление, и он перемещается в направлении движения элек-
тромагнитного поля.
В цилиндрических линейных индукционных насосах электромагнит-
ные силы, действующие на жидкий металл, также создаются бегущим
полем. Канал с жидким металлом в таком насосе имеет кольцевое сече-
ние. Внутри канала размещается сердечник без обмотки. Поверх его
расположен индуктор, охватывающий канал. Трехфазная обмотка рас-
положена в кольцевых пазах индуктора.
Рис. 14.7. Схема винтового индукционного насоса
275
Часть V. Электромеханические технологии
> Итак, с помощью магнитно-импульсной обработки осуществ-
ляется прямое преобразование электрической энергии в механическую.
Следует заметить, что электромагнитная энергия, выделяющаяся в де-
тали, расходуется на механическую обработку, т. е. на деформацию за-
готовки, на ее нагрев, и частично рассеивается.
Магнитно-импульсная обработка используется при соединении
тонкостенных металлических заготовок, например труб, давлением. Та-
кая обработка имеет целый ряд преимуществ: отсутствие движущихся
частей; простота управления процессом; возможность автоматизации
процесса и др. К недостаткам следует отнести невысокий КПД процес-
са, сложность оборудования и недолговечность индукторов, ограничен-
ную обработку деталей по толщине.
Другим способом механического воздействия на обрабатываемую
деталь с помощью электричества является электрогидравлическая обра-
ботка материалов. О ней и пойдет речь далее.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить общий КПД процесса преобразования
энергии разряда в работу деформации, если известно: расстояние между
электродами / = 50 см; рабочее напряжение Uq = 220 кВ; индуктивность
разрядного контура L = 0,2 мкГн; емкость конденсатора С = 0,5 мкФ;
постоянный коэффициент к = 5; механическая работа W = 8 Дж; энер-
гия, выделившаяся в разрядном контуре, JKT/2 = 1 000 Дж; энергия, нако-
пленная в конденсаторе NK = 8,5 Дж; энергия сети Nc = 10 Дж.
Решение. Коэффициент полезного действия общей энергии
^1общ — ^1т/2^1з^1уст’
где т|т/2 _ КПД за первый полупериод зарядки конденсатора;
zj2	с а
Г| =------VZc = —--------d0,2-0,5 = 0,7;
т/2 Uo	220
т|з - КПД зарядного контура;
276
Часть V. Электромеханические технологии
> Итак, с помощью магнитно-импульсной обработки осуществ-
ляется прямое преобразование электрической энергии в механическую.
Следует заметить, что электромагнитная энергия, выделяющаяся в де-
тали, расходуется на механическую обработку, т. е. на деформацию за-
готовки, на ее нагрев, и частично рассеивается.
Магнитно-импульсная обработка используется при соединении
тонкостенных металлических заготовок, например труб, давлением. Та-
кая обработка имеет целый ряд преимуществ: отсутствие движущихся
частей; простота управления процессом; возможность автоматизации
процесса и др. К недостаткам следует отнести невысокий КПД процес-
са, сложность оборудования и недолговечность индукторов, ограничен-
ную обработку деталей по толщине.
Другим способом механического воздействия на обрабатываемую
деталь с помощью электричества является электрогидравлическая обра-
ботка материалов. О ней и пойдет речь далее.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить общий КПД процесса преобразования
энергии разряда в работу деформации, если известно: расстояние между
электродами / = 50 см; рабочее напряжение Uq = 220 кВ; индуктивность
разрядного контура L = 0,2 мкГн; емкость конденсатора С = 0,5 мкФ;
постоянный коэффициент к = 5; механическая работа W = 8 Дж; энер-
гия, выделившаяся в разрядном контуре, JKT/2 = 1 000 Дж; энергия, нако-
пленная в конденсаторе NK = 8,5 Дж; энергия сети Nc = 10 Дж.
Решение. Коэффициент полезного действия общей энергии
^1общ — ^1т/2^1з^1уст’
где т|т/2 _ КПД за первый полупериод зарядки конденсатора;
zj2	с а
Г| =------VZc = —--------d0,2-0,5 = 0,7;
т/2 Uo	220
т|з - КПД зарядного контура;
276
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
Т|3 = NK/NC =8,5/10 = 0,85;
Пуст — КПД установки;
Пуст = (FF/FFt/2 ) -100 = (8/1 000) • 100 = 0,8.
Получаем
Л общ =0,7-0,85-0,8 = 0,476.
Ответ'. т|Общ = 0,476.
Пример 2. Определить частоту следования импульсов, если из-
вестно: разрядное напряжение t/pa3 = 50 В; начальное напряжение
Uo = 60 В; зарядное напряжение U3av = 90 В; допустимый ток выпрями-
теля /дОП = 25 А; расстояние между обкладками конденсатора <7=3 мм;
длина пластин а = 30 мм, ширина пластин b = 20 мм; диэлектрическая
проницаемость 8=1; электрическая постоянная 80 = 8,85 • 10~12 Ф/м.
Решение. Частота следования импульсов, МГц,
2,3Spa3Clgfl-^
где 7?раз - разрядное сопротивление, Ом;
«раз
^ = 22 = 3,6;
25
ДОП
С - емкость конденсатора, Ф;
d ’
где S - площадь пластин конденсатора, мм2;
5 = ^ = 30-20 = 600 мм2.
277
Часть V. Электромеханические технологии
Емкость конденсатора
cJ.8,85.10^.600=	710_9
3
тогда частота следования импульсов
f =-------------!-----f----= 22 • 109 Гн = 22 МГц.
2,3-3,6-1,77-10“9 lg| 1-— |
t	60)
Ответ'. f= 22 МГц.
Задачи
1.	С какой частотой происходит переключение конденсатора?
Конденсатор емкостью С = 10 мкФ периодически заряжается от батареи
с ЭДС Е = 120 В и разряжается через соленоид длиной / = 10 см. Соле-
ноид имеет N= 200 витков. Среднее значение напряженности магнитно-
го поля внутри соленоида//= 200 А/м.
2.	Определить электромагнитную мощность Рэм, передаваемую от
статора к жидкому металлу, в магнитно-импульсной установке обработ-
ки металлов, если известно: радиус полого ротора R = 0,6 м; толщина
слоя заполненной жидким металлом в осевом направлении I = 0,9 м; по-
люсное деление т = 3; число фаз w = 3, частота f= 50 Гц; число витков
обмотки статора со = 20; обмоточный коэффициент - 0,95; скорость ро-
тора - 2 340 об/мин.
3.	Определить время деформации заготовки /деф и электромагнит-
ную энергию JKh, используемую на нагрев материала заготовки, если пе-
ремещение стенки трубчатой заготовки в направлении обжатия 8 = 2 см,
удельное сопротивление заготовки (железо) р = 9,8-10”8 Ом-м, плот-
ность железа у = 7 8500 г/см3, толщина стенки заготовки 8 = 0,5 см, ее
поперечное сечение S = 0,3 м2, индукция магнитного поля В = 50 Тл.
4.	Определить силу, которая действует на жидкий металл в индук-
ционной плавильной установке, если известно: число фаз w = 3, частота
/= 50 Гц, число витков coi = 5, коэффициент обмотки статора Aoi = 0,5,
длина внутренней полости / = 2 м, линейная скорость перемещения поля
П1 = 1 м/с, линейная скорость перемещения жидкости о2 = 0,5 м/с, при-
веденное сопротивление жидкого металла = 30 Ом, полюсное деле-
ние т = 1.
278
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов
Вопросы для самопроверки
1.	Какие элементы входят в состав зарядного устройства?
2.	В чем состоит принципиальное отличие кондукционных насосов
от индукционных?
3.	На каком принципе основано вращение металла?
4.	Что такое магнитно-импульсная обработка?
5.	Что такое генераторы импульсных токов?
279
Глава 15. ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
15.1.	Теория электрогидравлического эффекта
Возникновение высокого давления в результате действия высоко-
вольтного электрического разряда между погруженными в непроводя-
щую жидкость электродами называется электрогидравлическим эффек-
том (ЭГЭ). Результатом энергии импульсной ударной волны, распро-
страняющейся вокруг канала разряда в рабочей среде, является давление
до 300 МН/м2 [3, 7].
Электрический разряд в жидкости — это способ преобразования
электрической энергии в механическую, которое совершается без про-
межуточных звеньев и с высоким КПД. Электрическая схема электро-
гидравлического эффекта показана на рис. 15.1. Элементами схемы яв-
ляются повышающий трансформатор Т, выпрямитель В, накопитель
энергии С, формирующий промежуток ФП и разрядный промежуток РП.
Высоковольтный искровой разряд в жидкости характеризуется
очень быстрым преобразованием запасенной в накопителе электриче-
ской энергии в тепловую, световую, механическую и т. д. В момент
пробоя практически несжимаемая жидкость вызывает электрогидравли-
ческий удар, что еще больше усиливает действие электрического взры-
ва. В процессе образования и развития искрового канала в жидкости
выделяют следующие три стадии.
1.	При появлении высокого напряжения в разрядном промежутке
жидкости в течение некоторого времени ti напряжение на нем остается
практически постоянным. Затем в зависимости от параметров контура
и начального напряжения оно резко падает.
Рис. 15.1. Электрическая схема электрогидравлической обработки
280
Глава 15. Электрогидравлическая обработка материалов
Рис. 15.2. Зависимости напряжения (а), тока (б), мощности (в)
и сопротивления (г) канала разряда от времени
Образование канала разряда при высоких напряжениях на рабочих
электродах обусловлено появлением лидеров, которые вызывают потоки
электронных лавин, срывающихся с отрицательного и устремляющихся
к положительному электроду. В начале пробоя образуется несколько
лидерных каналов, которые затем сливаются в один общий канал.
Промежуток времени ti характеризует лидерную стадию разряда
и определяется электрохимическими свойствами жидкости, напряже-
нием, формой и размерами электродов. Чем больше уровень напряже-
ния, меньше длина рабочего промежутка и площадь положительного
электрода, тем меньше t\. На рис. 15.2 представлены зависимости тока,
напряжения, мощности и сопротивления канала разряда от времени.
281
Часть V. Электромеханические технологии
Лидерная, или стримерная, стадия продолжается от момента приложе-
ния напряжения к разрядному промежутку до образования токопрово-
дящего канала между электродами.
2.	Яркая вспышка - результат пробоя межэлектродного промежут-
ка. Во время вспышки выделяется большая часть запасенной в конден-
саторе энергии. Эта стадия ограничивается малым временем протекания
и значительным световым излучением. После пробоя МЭП его сопро-
тивление резко падает, а ток при этом резко возрастает. Плотность тока
в канале разряда доходит до 106 А/см2 и выше. Плотность выделяющей-
ся в канале энергии очень велика, это приводит к разогреву окружаю-
щей среды, ее диссоциации и ионизации. В результате вспышки в кана-
ле разряда образуется плазма температурой 15 000-20 000 К.
Спонтанный нагрев плазмы разрядным током вызывает повыше-
ние давления в канале и его расширение. Мгновенное расширение ка-
нала в прилегающей жидкости вызывает ударную волну, распростра-
няющуюся от канала разряда в виде зоны сжатия с крутым передним
фронтом. Фронт ударной волны, сначала неотделимый от стенки кана-
ла, через некоторое время отделяется от нее, так как скорость распро-
странения ударной волны в среде существенно выше скорости расшире-
ния канала разряда. При удалении фронта волны от канала скорость ее
распространения приближается к звуковой, а давление на фронте волны
падает из-за рассеивания энергии.
3.	При снижении тока в разрядном контуре и достаточной мощно-
сти источника искровой разряд может перейти в стадию дугового раз-
ряда. Это приводит к уменьшению плотности тока в канале и темпера-
туры плазмы в нем. При дуговом разряде ток поддерживается за счет
термоэлектронов катода. В канале образуется пар за счет превращения
остывающей плазмы в пар и испарения части жидкости из окружающих
канал разряда слоев. Канал разряда превращается в парогазовую сферу.
По мере увеличения газовой сферы давление в ней понижается и стано-
вится меньше гидростатического. Окружающие газовую сферу слои во-
ды продолжают двигаться по инерции. По достижении максимального
размера сфера начинает сжиматься. Таких циклов «расширение - сжа-
тие» может быть несколько.
Первоначальная форма канала разряда, возникшего в результате
высоковольтного пробоя жидкости, зависит от формы лидера, замыкаю-
щего электроды. Поэтому такой канал почти всегда искривлен. Возни-
кающий разряд с помощью взрывающейся проволочки образует канал,
который имеет форму прямого цилиндра со сферическими торцами.
282
Глава 15. Электрогидравлическая обработка материалов
Стартовый диаметр канала при высоковольтном пробое воды составляет
несколько десятых долей миллиметра. При возбуждении же разряда
проволочкой начальный диаметр канала разряда зависит от диаметра
проволочки. Материал используемых проволочек и их размеры заметно
влияют как на значение, так и на характер выделяемой энергии при вы-
соковольтном разряде в жидкости. Время от начала протекания тока до
взрыва зависит от сечения взрывающейся проволочки:
tB=kS(U()/L)-2l\	(15.1)
где к - постоянная электрофизических свойств, зависящая от свойств ма-
териала проволочки; S — площадь поперечного сечения проволочки, см2;
Uq — начальный уровень напряжения, В; L — индуктивность разрядного
контура, Гн.
При увеличении диаметра проволочки максимум мощности элек-
трического разряда растет до определенного значения, а затем убывает.
Исходный материал и размеры технологических проволочек
влияют на гидродинамические параметры разряда, на давление и ско-
рость образующейся при разряде ударной волны.
Размер проволочек обусловлен оптимальными параметрами раз-
ряда, как по электрическим, так и по гидродинамическим показателям
процесса.
15.2.	Практическое использование
электрического разряда в жидкости
Очистка литья от формовочной земли с использованием ЭГЭ
производится в воде и исключает пылеобразование. Очищаемые отлив-
ки помещают в бак. После установки электродов относительно деталей
очистку от формовочной земли производят серией импульсов. Приме-
нение многоэлектродных трехфазных установок обеспечивает обработ-
ку одновременно нескольких отливок.
Формообразование представляет собой процесс получения фа-
сонных изделий из тонколистового материала с использованием на-
правленных ударных волн высокой интенсивности, возникающих
в жидкости при импульсном электрическом разряде. Главными факто-
рами формообразования методом электрогидравлического разряда
283
Часть V. Электромеханические технологии
(ЭГР) являются сверхвысокие ударные гидравлические давления, мощ-
ные кавитационные процессы и ультразвуковое излучение.
С целью получения заданных по форме изделий создаются опреде-
ленные формы волн: с острым фронтом, сферические и др. Это достигает-
ся различным расположением электродов, а также различными формами
проволочек, закорачивающих МЭП. Форму фронта ударной волны приво-
дят в соответствие с формой рабочей полости матрицы. Для этого прово-
локу, закорачивающую концы электродов, изгибают так, чтобы разряд
следовал по возникшему плазменному каналу проводимости.
Тонкое измельчение. При использовании этого способа материал
диспергируется или разрушается волной, возникающей при электрогид-
равлическом ударе в жидкости. Эффективная способность волны зави-
сит от параметров разрядного контура, а энергия импульса - от напря-
жения и емкости накопителя энергии.
Для измельчения различных минеральных сред применяются спе-
циальные электрогидравлические вибраторы (ЭГ-вибраторы). Они про-
сты и надежны в работе, их конструкция представляет собой систему
«цилиндр - поршень». Корпус вибратора заполнен водой. От источника
питания на электроды вибратора подается высоковольтный импульс,
вызывающий искровой разряд между ними, благодаря чему в жидкости
возникает импульс давления, заставляющий поршень перемещаться
вдоль своей оси. В результате движения поршня в полости цилиндра
возникает разрежение, и под действием атмосферного давления пор-
шень возвращается в исходное положение. Так осуществляется возврат-
но-поступательное движение поршня, которое характеризуется механи-
ческим импульсом, направленным на обрабатываемое изделие. Частота
движения поршня задается частотой электрических разрядов.
> Итак, электрический разряд в жидкости - это способ преобра-
зования электрической энергии в механическую, которое совершается
без промежуточных звеньев и с высоким КПД. Искровой высоковольт-
ный разряд в жидкости мгновенно преобразует накопленную энергию
в тепловую, световую, механическую и др. Несжимаемость жидкости
приводит к электрогидравлическому удару, который многократно уси-
ливает действие электрического разряда. Электрогидравлический удар
широко применяется для очистки литых заготовок от земли, при изго-
товлении фасонных изделий из тонколистового материала, для дробле-
ния минеральных сред и др.
284
Глава 15. Электрогидравлическая обработка материалов
Наряду с названными методами преобразования электрической
энергии в механическую в промышленности широко используется ульт-
развук. С этим методом обработки познакомимся в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить время деформации заготовки /деф и энер-
гию используемую на нагрев материала заготовки (трубчатая алю-
миниевая) при электрогидравлической обработке. Толщина стенки заго-
товки 5 = 0,3 см; площадь S = 2 м2; плотность материала у = 7,8 г/см3;
давление на заготовку р = 0,04 кг/см2; перемещение стенки трубчатой
заготовки к точке обжатия S, = 200 см.
Решение. Время деформации
(деф — 2(^5) / 1),
где о - скорость деформации, см/с;
\э = ^Р2/4тгу^ ,
где Р — полное давление на заготовку, кг/см2;
Р = yfipn = 78-0,04-3,14 = 1002,4.
Скорость деформации
и = (1002,42/(4-3,14-7,8))'/2 =101,3 см/с,
/деф = 2-(0,3-200)/101,3 = 0,15 с.
Энергия, используемая на нагрев,
WH = P2Sp/%n = 1002,42 • 2 • 0,04/(8 • 3,14) = 32кВ.
Ответ'. /деф = 0,15 с; JFH = 32 кВ.
285
Часть V. Электромеханические технологии
Пример 2. Определить потребленную энергию для получения го-
тового изделия при электрогидравлической обработке материала, если
энергия, выделившаяся в разрядном контуре за первый полупериод
колебания тока, Идз =50 Вт; общий КПД процесса преобразования
энергии т|общ = 0,3; КПД зарядной цепи г|3 = 0,85; КПД разрядного контура
т|т/2 = 0,8.
Решение. Энергия для получения готового изделия, Вт, вычисля-
ется по формуле
^ = ^/(nJWh72)>
где - механическая работа формоизменения, Вт;
— Лусл^Т/2 ’
где г|усл - условный КПД;
ПУел = По0ш/(п,Пт/2) = о,3/(0,85 -0,8) = 0,44.
Получаем:
IV =0,44-50 = 22 Вт.
W = 22/(0,85 • 0,44 • 0,8) = 73,3 Вт.
Ответ'. W= 73,3 Вт.
Задачи
1.	Определить время от начала протекания тока до взрыва прово-
лочки при электрогидравлической обработке металлов при Uo = 50 кВ,
U= 20 кВ, площади поперечного сечения проволочки S = 0,1 см2, опти-
мальном диаметре медной проволочки при разряде в воде dom = 0,09 см,
емкости конденсаторов С = 0,05 Ф.
2.	Определить общий КПД процесса преобразования энергии разря-
да в работу деформации, если известно: расстояние между электродами
I = 50 см; рабочее напряжение Uq = 220 кВ; индуктивность разрядного
контура L = 0,2 мкГн; емкость конденсатора С = 0,5 мкФ; постоянный
коэффициент к =5; механическая работа И\, = 8 Дж; энергия, выде-
лившаяся в разрядном контуре за первый полупериод колебания тока,
J4t/2 = 1 000 Дж; энергия, накопленная в конденсаторе, NK = 8,5 Дж;
энергия сети Nc = 10 Дж.
286
Глава 15. Электрогидравлическая обработка материалов
3.	Определить пробивные напряжения маслобарьерной изоляции
t/ip, t/2p, U^p между обмотками трансформатора НН и ВН при перемен-
ном напряжении с частотой f -50 Гц. Внешний диаметр обмотки НН
<71 = 0,43 м, внутренний диаметр обмотки ВН с/2 = 0,36 м.
4.	Найти сечение взрывающейся проволочки при электрогидрав-
лической обработке, если известно: коэффициент, зависящий от свойств
материала проволоки, К= 2; радиус проволоки R = 0,001 м; напряжение
источника питания U= 100 В; магнитный поток Ф = 70 Тл/м; ток в кон-
туре I = 5 А.
Вопросы и задания для самопроверки
1.	Дайте определение электрогидравлического эффекта.
2.	Что такое электрогидравлический удар?
3.	Объясните зависимость тока, напряжения, мощности и сопро-
тивления канала разряда от времени.
4.	Объясните процесс очистки литья электрогидравлическим спо-
собом с точки зрения физики.
5.	Что такое формообразование?
287
Глава 16. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
УЛЬТРАЗВУКА
16.1.	Теоретические основы
ультразвуковой обработки
Ультразвуковой (УЗ) метод обработки представляет собой меха-
ническое воздействие на материал. Ультразвуковым его называют по-
тому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков,
т. е. составляет от 16 до 105 кГц [3, 7, 19].
Так как звуковые волны представляют собой механические упру-
гие колебания, они могут распространяться только в упругой среде
в отличие от электромагнитных волн. Длина звуковой волны
Х = и//,	(16.1)
где о - скорость распространения волны; f- частота волны.
При движении звуковой волны в упругой среде частицы совершают
упругие колебания около своих положений равновесия с колебательной
скоростью. Сгущение и разрежение среды в продольной волне характери-
зуются избыточным звуковым давлением. Между колебательной скоро-
стью и звуковым давлением имеется взаимосвязь, определяемая физиче-
скими свойствами среды. Для плоской звуковой волны такая взаимосвязь
определяется акустическим законом Ома
^/^ = Уи = 7?а,	(16.2)
где р - звуковое давление, Па; у — колебательная скорость, м/с; у - плот-
ность среды, г/м3; о - скорость распространения волны, м/с; Яа - акусти-
ческое сопротивление, Ом.
Скорость распространения звуковой волны зависит от плотности
среды, в которой она движется:
и = 57 у,	(16.3)
где S - модуль продольной упругости (модуль Юнга).
Из выражения (16.3) следует, что скорость звуковой волны тем
больше, чем жестче и легче материал среды.
288
Глава 16. Получение и использование ультразвука
Звуковая волна при распространении в материальной среде перено-
сит определенную энергию, которая может использоваться в технологиче-
ских процессах. Преимуществами ультразвуковой обработки являются:
1)	получение акустической энергии различными техническими
приемами;
2)	разнообразное технологическое применение ультразвука: от
размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка,
пайка и т. д.);
3)	относительная простота эксплуатации и возможность автомати-
зации промышленных установок.
К недостаткам УЗ-метода относятся: высокая стоимость акустиче-
ской энергии; необходимость изготовления специальных установок
и аппаратов для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи
и распределения.
16.2.	Устройство и работа ультразвуковых установок
Главными элементами колебательной системы являются источник
ультразвуковых колебаний (УЗК), акустический трансформатор скоро-
сти и детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний существуют двух видов:
механические и электрические.
К механическим источникам УЗК относятся ультразвуковые сире-
ны и свистки, работа которых основана на преобразовании механической
энергии (например, скорости движения жидкостей или газов). Электри-
ческие источники УЗК преобразуют электрическую энергию в механиче-
ские упругие колебания определенной частоты. Для этих целей служат
различные преобразователи: электродинамические, магнитострикцион-
ные, пьезоэлектрические. Наибольшее распространение получили магни-
тострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Работа магнитострикционных преобразователей основана на про-
дольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в измене-
нии длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без
изменения их объема) при воздействии на них магнитного поля. Магни-
тострикционный эффект у разных металлов различен. Наибольшей маг-
нитострикцией обладают никель и пермендюр, они нашли широкое
применение в производстве магнитострикционных преобразователей.
289
Часть V. Электромеханические технологии
Рис. 16.1. Схема магнитострикционного преобразователя
Пакет магнитострикционного преобразователя представляет собой
сердечник из тонких пластин, на котором размещена обмотка для воз-
буждения в нем переменного электромагнитного поля высокой частоты.
При магнито-стрикционном эффекте знак деформации сердечника оста-
ется постоянным даже при изменении направления электромагнитного
поля на обратное. Частота изменения деформации в 2 раза больше час-
тоты изменения переменного тока, проходящего по обмотке преобразо-
вателя, так как в оба полупериода происходит деформация одного знака.
На рис. 16.1 представлена схема магнитострикционного преобразо-
вателя. Обмотка 5 сердечника преобразователя 4 питается от генератора
тока высокой частоты 1. Под действием электромагнитов 3 и 6, питае-
мых от выпрямителя 2, возникает постоянное магнитное поле. Оно соз-
дает в сердечнике преобразователя 4 состояние первоначальной намаг-
ниченности - поляризацию. Благодаря магнитострикции сердечник 4
в постоянном магнитном поле изменит свою длину до значения Ц. При
подключении обмотки 5 к генератору 1 протекающий по ней перемен-
ный ток высокой частоты создает магнитное поле такой же частоты,
в результате чего в системе будет проходить два магнитных потока: по-
стоянный с индукцией Во и переменный с индукцией Вп. В любой мо-
мент времени результирующий магнитный поток
Вр = В0 + Вп •
В случае согласного направления потоков, когда Вр #= 0, сердечник
имеет длину Ц; когда же потоки имеют встречное направление и резуль-
290
Глава 16. Получение и использование ультразвука
тирующий поток Вр ~ 0, длина сердечника /2 #= 1Х. Таким образом, с по-
мощью генератора 1, выпрямителя 2, концентратора 7 (акустического
преобразователя скорости) электроэнергия преобразуется в энергию ме-
ханических колебаний технологического преобразователя 8, воздейст-
вующего на обрабатываемую поверхность детали 10. Через шланг 9
в зону обработки подается рабочая жидкость.
Основными недостатками магнитострикционных преобразовате-
лей являются: наличие потерь на перемагничивание сердечника; по-
требление значительного тока на подмагничивание; низкая экономич-
ность, низкий КПД.
Работа пьезоэлектрических преобразователей основана на спо-
собности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры
(толщину и объем) под действием электрического поля. Пьезоэлектри-
ческий эффект обратим, т. е. если пластину из пьезоматериала подверг-
нуть деформациям сжатия или растяжения, то на ее гранях появятся
электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное
электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окру-
жающей среде ультразвуковые колебания. Наибольшее распростране-
ние получили пьезоэлементы на основе титаната бария, цирконата-
титаната свинца (ЦТС). Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектриче-
ского материала является электромеханическим преобразователем.
Примером технического применения пьезоэлектрического преоб-
разователя являются установки для озвучивания растворов с целью их
гомогенизации (рис. 16.2). Раствор, протекающий по каналу или нахо-
дящийся в сосуде, облучается расчетное время в звуковом поле, что су-
щественно ускоряет растворение компонентов.
Акустические трансформаторы скорости (концентраторы про-
дольных упругих колебаний) предназначены для согласования парамет-
ров преобразователя с нагрузкой, для установки колебательной системы
и ввода ультразвуковых колебаний в зону обработки. Концентраторы
представляют собой стержни разного сечения, изготовленные из с кор-
розионно-, кавитационно- и жаростойких материалов, стойких в агрес-
сивных средах, на истирание и т. д.
Различные формы акустических трансформаторов скорости
(рис. 16.3) характеризуются соответствующими коэффициентами кон-
центрации колебаний. Их (коэффициенты) определяют отношением
площади сечения большего торца концентратора (соединенного с виб-
ратором) к его малому выходному торцу (соединенному с инструмен-
том).
291
Часть V. Электромеханические технологии
Рис. 16.2. Конструкция многослойного пьезопреобразователя: 1 — ванна
с раствором; 2 - днище ванны; 3 - клеящий состав; 4 - верхняя накладка;
5 - диск из ЦТС; 6 — нижняя отражающая накладка
Рис. 16.3. Формы акустических трансформаторов скорости
Повышение амплитуды колебаний торца с малым сечением по
сравнению с амплитудой колебаний торца большего сечения объясняется
тем, что при одинаковой мощности колебаний во всех сечениях транс-
форматора скорости интенсивность колебаний малого торца в к раз
больше.
Источник питания ультразвуковых установок используют для пре-
образования электрической энергии промышленной частоты в энергию
переменного тока ультразвуковой частоты для возбуждения преобразо-
вателя. К ним предъявляют следующие требования: стабильность гене-
рируемой частоты и возможность ее регулирования в заданных преде-
лах; регулирование мощности; небольшие стоимость, масса и размеры;
надежность в работе и удобство в эксплуатации.
Также существуют ультразвуковые генераторы на транзисторах
и тиристорах, машинные и др.
292
Глава 16. Получение и использование ультразвука
16.3.	Технологические особенности
применения ультразвука
Использование ультразвука в промышленности осуществляется по
трем направлениям: силовое воздействие на материал; интенсификация
технологических процессов; ультразвуковые методы контроля.
Силовое воздействие ультразвука на обрабатываемый мате-
риал применяется для механической обработки твердых и сверхтвер-
дых сплавов, диспергирования и эмульгирования, удаления пленок, за-
грязнений и др.
Принципиальная схема ультразвуковой размерной обработки про-
шиванием (долблением) показана на рис. 16.4. При данном методе обра-
ботки осуществляется направленное разрушение твердых и хрупких мате-
риалов с помощью инструмента 3, колеблющегося с ультразвуковой час-
тотой. В этом процессе он оказывает на обрабатываемую поверхность 1
ударное воздействие, которое достигается посредством мельчайших зерен
абразивного порошка 9, вводимого в виде суспензии в зазор 8 между тор-
цом инструмента и изделием.
Рис. 16.4. Схема ультразвуковой размерной обработки прошиванием: 1 - об-
рабатываемая деталь; 2 - ванна; 3 - инструмент; 4 - акустический трансфор-
матор скорости; 5 - магнитострикционный преобразователь; 6 - корпус с ох-
лаждением; 7 - ультразвуковой генератор; 8 - зазор; 9 - частички абразива
293
Часть V. Электромеханические технологии
Хотя производительность каждого удара ничтожно мала, общая
производительность ультразвуковой обработки относительно высока,
что обусловлено высокой частотой колебаний инструмента (16-30 кГц)
и большим количеством зерен абразива (20 000-100 000 на 1 см3), уда-
ряющихся по обрабатываемой поверхности детали. Под ударами зерен
абразива происходит выкрашивание мелких частиц материала изделия.
Диспергирование и эмульгирование происходят под действием ин-
тенсивных ультразвуковых волн, вызывающих измельчающее действие
кавитации и турбулентное движение жидкостей. Данным способом
возможно получение стойких эмульсий несмешивающихся обычными
способами жидкостей, таких как вода и масло, ртуть и вода, бензол
и вода и др.
Получение суспензий путем диспергирования твердой фазы с по-
мощью ультразвуковых волн дает возможность существенно повысить
производительность процесса. Так, например, применение ультразвука
уменьшает длительность процесса приготовления суспензии оксида
магния в четыреххлористом углероде с 25 ч до 40 мин.
При помощи ультразвукового метода можно производить очистку
различных металлических деталей от окалины, паст, смол, продуктов
коррозии, обезжиривание, удаление заусениц и т. д.
Оборудование, применяемое при ультразвуковой обработке,
включает в себя ванну с растворителем для основной очистки, источник
ультразвука с устройством для подвода колебаний в рабочую зону; ван-
ну для ополаскивания изделий, прошедших ультразвуковую очистку.
Ультразвуковая очистка достигает наибольшего эффекта при уда-
лении загрязнений из труднодоступных полостей, углублений и каналов
малых размеров, при очистке мелких деталей сложной конфигурации,
оптических изделий и т. п.
Интенсификация технологических процессов. Ультразвуковые
колебания существенно изменяют ход традиционных химических про-
цессов. В частности, обработка ультразвуком значительно ускоряет по-
лимеризацию винилацетата, эмульсий стирола, ацетальдегида и т. д.
Причем интенсификация процесса полимеризации наблюдается лишь
при определенной силе ультразвука. При ее уменьшении может начать-
ся обратный процесс - деполимеризация. Данное свойство ультразвуко-
вых колебаний применяют для управления реакциями полимеризации.
Изменяя параметры ультразвуковых колебаний, можно существенно
увеличить скорость реакции. В металлургии при производстве металлов
294
Глава 16. Получение и использование ультразвука
введение упругих колебаний ультразвуковой частоты в расплавы при-
водит к измельчению кристаллов, уменьшению пористости, увеличению
механических свойств затвердевших расплавов и снижению содержания
газов в металлах. Например, свинец и алюминий не смешиваются
в жидком виде. Наложение же на расплав ультразвуковых колебаний
обеспечивает «растворение» одного металла в другом.
Методы контроля ультразвуком. Используя ультразвуковые ко-
лебания, можно непрерывно контролировать технологический процесс
без проведения лабораторных анализов проб: зная зависимость пара-
метров звуковой волны от физических свойств среды, фиксируя затем
амплитуду колебаний частиц, интенсивность ультразвуковых колебаний
или скорость звука, можно с высокой достоверностью судить о состоя-
нии среды и ее изменениях.
Ультразвуковой контроль производится с помощью ультразвуковых
колебаний слабой интенсивности. В зависимости от физико-химических
свойств среды скорости ультразвука в ней будут различными. Фиксируя
скорость звука, можно узнать о произошедших физико-химических изме-
нениях в данной среде, контролировать ее концентрацию, определять на-
личие примесей, следить за ходом процесса.
Известно, что любая упругая среда обладает определенной вязко-
стью и при распространении звуковых волн в среде происходит замет-
ная потеря энергии. При удалении от источника колебаний амплитуда
колебаний плоской волны изменяется по закону
А = А<)е~ах,
где Ао - амплитуда колебаний в точке х = 0; а - коэффициент поглоще-
ния среды.
По изменению энергии ультразвуковой волны можно контролиро-
вать состав различных смесей в веществе. Скорость ультразвука в таких
средах остается неизменной, а наличие примесей взвешенного вещества
влияет на коэффициент поглощения звуковой энергии. Это дает воз-
можность определять процентное содержание примесей в исходном ве-
ществе.
При преодолении звуковой волной границы двух сред волна час-
тично отражается. Разность энергии волны, прошедшей через границу
раздела, и отраженной волны будет зависеть от соотношения акустиче-
ских сопротивлений разных сред. По обратному отражению звуковых
295
Часть V. Электромеханические технологии
волн на границе раздела сред («просвечивание» ультразвуковым лучом)
возможно определить наличие примесей в монолите и использовать на
этом принципе методы и приборы ультразвуковой диагностики деталей.
> Ультразвуковой метод обработки является одним из методов
механического воздействия на материал, использующий электрический
ток. Ультразвук представляет собой механические упругие колебания,
которые могут распространяться только в упругой среде, в отличие от
электромагнитных колебаний. Скорость распространения звуковой вол-
ны зависит от плотности среды, в которой движется волна: чем жестче
и легче материал среды, тем скорость волны больше.
К преимуществам ультразвуковой обработки следует отнести: воз-
можность получения ультразвука различными техническими приемами;
широкий диапазон технологического применения ультразвука (размер-
ная обработка, сварка, пайка и др.); простоту эксплуатации промышлен-
ных установок. К недостаткам этого метода относят необходимость изго-
товления специальных генераторов ультразвуковых колебаний.
Электромагнитное поле может не только оказывать механическое
воздействие на окружающие его объекты, но и изменять их положение
в пространстве. Технологические процессы, использующие это явление,
называются «электронно-ионными». С ними предстоит знакомство
в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить мощность электрических потерь пьезо-
электрического преобразователя. Толщина пьезоэлемента J=2mm.
Длина конденсатора а = 50 мм, ширина Ъ = 20 мм. Диэлектрическая
проницаемость пьезоматериала & = 1,12 Ф/м. Напряжение U= 10 В, час-
тота промышленная/= 50 Гц.
Решение. Мощность электрических потерь пьезоэлектрического
преобразователя
где /?д - сопротивление, обусловленное диэлектрическими потерями, Ом;
296
Глава 16. Получение и использование ультразвука
д 27c/Ctg5’
где С - емкость конденсатора, Ф;
s5
d ’
О	2
где S - площадь конденсатора, мм ;
S = ab;
tg 5 - тангенс угла диэлектрических потерь, tg 5 = 0,97.
Получаем:
5 = 50-20 = 1 000 мм2;
1,12-1 000
2
= 560-10-6 мкФ;
Rn =------------!-----------= 0,003 Ом;
д 2-3,14-50-560-10’6-0,97
э.п
——— = 1,6 кВт.
2-0,003
Ответ: РЭЛ1 =1,6 кВ.
Пример 2. Определить активное и реактивное сопротивление пре-
образователя, если его напряжение U = 55 В, сила тока 7 = 4 А, мощ-
ность, выделяемая в ультразвуковой волне, Р\ = 260 Вт, мощность сис-
темы охлаждения преобразователя Р2 = 350 Вт и мощность потерь в це-
пи подмагничивания Рп = 50 Вт.
Решение. Активное сопротивление, Ом,
R = Zcoscp,
где Z— полное сопротивление цепи, Ом;
U 55
Z = — = — = 13,7 Ом;
I 4
cos ф — коэффициент мощности;
со8ф = Рэ :у,
где Р3 - полная мощность, Вт;
297
Часть V. Электромеханические технологии
Рэ = Р} +Р2~РП =260+ 350-50 = 560;
Получаем:
coscp - 560	- 40,8;
R = Zcoscp = 13,7-40,8 = 558,9.
Реактивное сопротивление
X = jz2+R2 = д/13,72 +558,92 = 559,1 Ом.
Ответ'. Z= 13,7 Ом; Х= 559,1 Ом.
Задачи
1.	Определить интенсивность звука при прохождении звуковой вол-
ны, если известно, что мгновенное звуковое давление Р = 4 Па, волновое
акустическое сопротивление Zo = 20 Ом, механическое сопротивление
среды RM = 50 Ом.
2.	Определить тангенс угла диэлектрических потерь обрабатывае-
мого материала в ультразвуковой установке, если толщина пьезомате-
риала d = 0,05 м, площадь S = 2,25 м2, диэлектрическая проницаемость
пьезоматериала £д = 1,3 * 10 3 Ф/м, мощность электрических потерь
Рэ.п = 2 000 Вт, напряжение U= 110 В.
3.	Найти время смыкания газового пузырька радиусом г = 0,05 мм.
Поверхностное натяжение о = 0,64. Минимальный радиус rm;n = 0,02 мм,
максимальный радиус rmax = 0,04 мм. Плотность жидкости р = 2,56 г/см3.
Максимальное давление Ртах = 5,12 Па.
4.	Найти мощность электрических потерь в установке ультразву-
ковой обработки, если известно: частота/= 50 Гц; тангенс угла диэлек-
трических потерь tg 5 = 0,2; радиус обкладки конденсатора R = 0,08;
диэлектрическая проницаемость пьезоматериала £д = 6,8 Ф/м; рас-
стояние между пластинами <7= 0,1 м; напряжение источника питания
£/=220 В.
5.	Определить длину волны ультразвука в сплаве при частоте ко-
лебаний /= 18 кГц, радиусе сплава г = 8 мм, RjR{} = 3, напряженности
Е = 20 В. Удельное сопротивление сплава - р = 0,028 -10~60м -м.
298
Глава 16. Получение и использование ультразвука
Вопросы для самопроверки
1.	Что собой представляет ультразвук?
2.	Перечислить способы получения ультразвуковых колебаний.
3.	Какие бывают формы акустических трансформаторов скорости?
4.	Какие факторы влияют на скорость распространения ультразвука?
5.	На чем основан метод ультразвукового контроля?
299
Часть VI. МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
Глава 17. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
17.1.	Технологические особенности
электронно-ионных процессов
Под влиянием электрического поля высокой напряженности на
вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии,
воздействуют процессы, которые вызывают как изменение физических
и химических свойств материала, так и распределение образующих его
частиц в пространстве. Использование электрических полей высокой
напряженности в технологических процессах получило название элек-
тронно-ионной технологии (ЭИТ) [3, 7, 19].
Электронно-ионная технология включает три основополагающих
процесса: электризацию материала, находящегося в дисперсном состоя-
нии; организацию направленного движения частиц в электрическом по-
ле; формирование заданного продукта или изделия.
В производстве нашли применение следующие виды ЭИТ:
эл	ектрогазоочистка - выделение из газового (воздушного) потока
содержащихся в нем частиц;
эл	ектросепарация - разделение смесей или систем на составные
компоненты;
эл	ектроокраска - нанесение твердых или жидких покрытий на из-
делия под воздействием электростатического поля;
эл	ектропечать - воспроизведение изображения, а также получе-
ние многократных копий, изготовление матриц для размножения;
электроформообразование.
Основой электронно-ионной технологии являются:
эл	ектроосмос - движение жидкости по отношению к твердому те-
лу под действием электрического поля;
эл	ектрофорез, или катафорез, - движение частиц, взвешенных
в жидкости или газе под воздействием электрического поля;
300
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
электродиализ - явление, которое составляют диализ (очистка
растворов от электролитов) и электрофорез.
Электроосмос применяется для удаления избыточной влаги из почв
при прокладке транспортных магистралей, для сушки торфа, обезвожива-
ния пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и т. д.
Скорость воды при электроосмосе можно определить по формуле
у3
и = ср^—gradE,	(17.1)
гр
где с — константа; р - поверхностная плотность зарядов, Кл/м2; у - объ-
емная плотность грунта, кг/м3; т| - вязкость воды, К2/м3; S — общая по-
верхность частиц грунта в единице объема, м2; Е - напряженность
электрического поля, В.
В электростатических установках идут процессы под воздействи-
ем кулоновских сил. Для их возникновения частицы должны быть заря-
жены. На производстве применяют три принципа зарядки частиц:
1)	осаждением на поверхности частицы ионов из объема газа, ок-
ружающего ее;
2)	путем разделения зарядов в электростатическом поле;
3)	путем механической, химической и тепловой электризации.
Процесс зарядки частиц путем механической, тепловой или хими-
ческой электризации весьма сложен и изучен мало. Более широко рас-
пространена электризация частиц за счет трения друг о друга и о стенки
сосуда.
Контактный заряд проводящей частицы, коснувшейся заряженно-
го тела, можно рассчитать по формуле
q = Cq,	(17.2)
где С - емкость частицы, Ф; ср - потенциал заряженного тела, В.
При неоднократном касании частицей заряженного тела ее заряд
можно найти как
? = (^/7г)7\Л,	(17.3)
где Na - число контактирований частицы с заряженным телом; 5К -
2
площадь контактной поверхности, м .
Чтобы понять процесс зарядки частиц путем электростатической
индукции, можно представить себе плоский конденсатор, на нижней
301
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
обкладке которого располагается тонкий слой частиц. Если между об-
кладками конденсатора приложить разность потенциалов U, то все час-
тицы получат общий заряд:
q = CU = (S/d)U = SE.
Здесь С - емкость конденсатора, Ф; S - площадь поверхности пластин
конденсатора, м2; d — расстояние между пластинами конденсатора, м;
Е - напряженность внешнего электрического поля, В.
Из внешнего электрического поля Е на каждую частицу действует
сила, стремящаяся оторвать частицу от пластины. С повышением на-
пряжения U эта сила в состоянии преодолеть силу притяжения частиц
к обкладке конденсатора. Тогда частицы покинут пластину и полетят
к противоположной обкладке, но уже имея заряд.
Часто в установках ЭИТ производится зарядка частиц осаждением
ионов на их поверхность. Источником ионов в данном случае может
быть коронный разряд.
17.2.	Воздействие электрического поля на заряд частицы,
находящейся в нем
Если разместить в газовой среде два электрода и подать на них на-
пряжение от источника ЭДС, то под действием электрического поля ка-
кое-то количество находящихся в среде заряженных частиц начнет пе-
ремещаться в этом поле. Вызванный движением частиц электрический
ток очень мал. Величина этого тока значительно возрастает, если в газе
появится ионизатор, обусловливающий резкое увеличение числа иони-
зованных частиц. У таких ионизаторов коронный разряд появляется
в неоднородном электрическом поле. Такое поле может быть в системе
двух коаксиальных электродов, если их радиусы в десятки раз отлича-
ются по своему значению. При этом диаметр внутреннего (коронирую-
щего) электрода много меньше диаметра внешнего (осадительного).
При подаче напряжения на коронирующий и осадительный электро-
ды электрофильтра и постепенном его повышении, между ними при опре-
деленной величине напряженности электрического поля возникает элек-
трический разряд, имеющий ВАХ, показанную на рис. 17.L На участке
характеристики ab ток увеличивается при повышении U, что связано
с появлением новых носителей зарядов. При дальнейшем увеличении U
302
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
и достижении начального напряжения между электродами возникает
коронный разряд (участок Ьс). Начальную напряженность короны, В/м,
для цилиндрического коронирующего электрода определяют по форму-
ле Пика
Eq = 30,38(1 + 0,298/Т^ь),	(17.4)
где 8 - относительная плотность воздуха; 8 = 3,86Р/Т, где Р - давление, Па;
Т - температура, К; г0 _ радиус коронирующего электрода, м.
Уравнение ВАХ для любой системы электродов и для любой ко-
роны имеет вид
/0 =<7,t/(t7-t/0),
(17.5)
где Ci - постоянная для данной системы электродов; U - напряжение
между электродами, В; (U-Uq) - разность потенциалов между части-
цами и осадительным электродом, В.
Линейную плотность тока короны для системы электродов «коак-
сиальные цилиндры» находят по формуле Таунсенда
. _ 2£4тг80
^0 п2 1 / D / \	и о),
R 1п(Я/г0)
где к - справочный коэффициент; е0 _ заряд частицы, Кл; R - радиус
осадительного электрода, м; г0 _ радиус коронирующего электрода, м.
Рис. 17.1. Вольт-амперная характеристика системы электродов:
Un - пороговая разность потенциалов
303
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
Последующее увеличение напряжения между электродами приво-
дит к пробою МЭП и переходу к искровому разряду (участок cd), кото-
рый в дальнейшем может перейти в дуговой (правее точки d). Электро-
фильтры обычно работают в режиме, соответствующем активной коро-
не (участок be).
Из сказанного следует, что распределение напряженности элек-
трического поля внутри системы электродов и значение проходящего
между ними тока зависят от свойств газа, т. е. от его температуры
и влажности. Напряженность электрического поля Е, В/м, вдоль радиуса
системы коаксиальных электродов в точке х от центра можно опреде-
лить по формуле
U
xln(R/r0)
Здесь U - напряжение между электродами, В; R - радиус осадительного
электрода, м; г0 _ радиус коронирующего электрода, м.
Физическая картина такого распределения показана на рис. 17.2.
Газовая среда, подвергаемая электростатической очистке (двухфазная
смесь: газ и твердые частицы, газ и капли жидкости и т. д.), проходит
через межэлектродный канал. При этом как на твердую, так и на жид-
кую фазу смеси действует электрическое поле.
Рис. 17.2. Распределение напряженности электрического поля
между коаксиальными электродами
304
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
Зарядка частицы в ионном поле коронного разряда заключается
в том, что под действием электродинамических сил на частице постепен-
но накапливаются элементарные заряды. Процесс нарастания зарядов на
частице протекает не мгновенно, и в отдельных случаях для получения
максимального заряда частицы необходимо значительное время.
Ионы скапливаются на поверхность частицы за счет следующих сил.
Первая сила создается внешним электрическим полем, часть сило-
вых линий которого пересекает поверхность частицы. Движущиеся по
ним ионы встречаются с частицей и удерживаются на ее поверхности за
счет сил зеркального отображения.
Вторая сила вызвана поляризацией частицы во внешнем поле. Это
приводит к искривлению силовых линий результирующего (внешнего
и поляризационного) поля и увеличению числа линий, пересекающих по-
верхность частицы. На частице осаждаются те ионы, которые в ее отсут-
ствие не пересекали бы области, ограниченные поверхностью частицы.
Третья сила - сила зеркального отображения действует на частицы
и ионы, движущиеся в непосредственной близости от поверхности. Под ее
воздействием еще часть ионов осядет на поверхности частицы.
Четвертая сила отличается поглощающим действием поверхно-
сти частицы. Поэтому скопление ионов вблизи частицы существенно
меньше, чем вдали от нее. Заряженная частица формирует отталкиваю-
щее кулоновское поле, которое имеет максимальное значение вблизи ее
поверхности. Ввиду наличия градиента концентрации возникает диффу-
зия ионов к частице, стремящаяся выравнять концентрацию. Вследствие
этого еще часть ионов сможет осесть на частице.
Вышеназванные силы заставляют ион перемещаться к поверхно-
сти частицы. Данному движению противодействует лишь одна сила —
сила отталкивания между ионами, осевшими на частицу, и ионами, на-
правляющимися к ее поверхности. Зарядка ионов может приостановить-
ся лишь в тот момент, когда отталкивающая сила равна сумме всех при-
тягивающих сил. Мгновенный заряд проводящей сферической частицы
радиусом г в поле короны можно определить по формуле
g(T) = 12TO,A'-2, mnkt ,	(17.7)
4тге0 + nket
где т - время зарядки, с; 80 _ заряд частицы, Кл; Ек - воздействие на-
пряженности электрического поля на частицу в поле короны, В; г - ра-
диус сферической частицы, мм; е - заряд электрона, Кл; п - концентра-
305
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
ция ионов; к - подвижность иона, с; t - время воздействия электриче-
ского поля на частицу, с.
Максимальный заряд проводящей частицы находят по формуле
7 max — 12718р^кГ .
Уравнение (17.7) выражает кинетику зарядки проводящей частицы
в поле коронного разряда напряженностью ЕК.
При зарядке диэлектрических частиц в поле коронного разряда
(в отличие от проводящих частиц) заряд может не растекаться на по-
верхности частицы по закону, обеспечивающему отсутствие электриче-
ского поля внутри частицы. Компактность заряда на поверхности ди-
электрической частицы характеризуется лишь количеством ионов, осев-
ших в данной точке ее поверхности. Зарядка частицы длится в течение
всего времени, пока к ней присоединяются ионы. С увеличением дли-
тельности зарядки и числа осевших на частице ионов повышается и на-
пряженность электрического поля, формируемая заряжающейся части-
цей и направленная навстречу основному полю, что снижает скорость
зарядки частицы за счет уменьшения скорости движения очередных ио-
нов к ней. При равенстве напряженностей электрического поля и внеш-
него поля частица прекращает заряжаться, поскольку на нее перестают
оседать новые ионы. В этот момент диэлектрическая частица накопила
предельный заряд
?тах =	[1 + 2(е - 1)/(е + 2)] Е/,	(17.8)
где £0 _ заряд частицы, Кл; £ - заряд частицы в электрическом поле, Кл;
Е3 — напряженность электрического поля в той точке, где частица полу-
чает свой заряд, В/м; г - радиус сферической частицы, мм.
17.3.	Теория поведения заряженных частиц
в электрическом поле
На заряженную частицу, движущуюся с потоком газа в электриче-
ском поле, действуют определенные силы:
1.	Сила тяжести: Ед = mg.
2.	Сила воздействия электрического поля на заряженную частицу
в поле короны: FK= Eq.
306
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
С учетом (17.8)
FK =4zEo[l + 2(e-l)/(E + 2)]E3EKA	(17-9)
3.	Сила, связанная с неравномерностью напряженности электри-
ческого поля,
F£=27T£0r3[(£-l)/(£ + 2)] gradF2.	(17.10)
Анализ воздействия электрического поля на взвешенную заряжен-
ную частицу показывает, что сила воздействия поля многократно боль-
ше силы, возникающей из-за неравномерности напряженности электри-
ческого поля. В связи с этим в расчетах ею можно пренебречь.
4.	Сила противодействия среды движению частицы Fc всегда
присутствует при относительном движении среды и частицы и отсутст-
вует только в вакууме. При обычных условиях эта сила оказывает суще-
ственное влияние и определяет установившуюся скорость движения.
Определение этой силы в различных условиях считается одной из
основных задач при определении скорости частицы.
Для шарообразных частиц при их равномерном движении относи-
тельно среды со скоростью о силу противодействия среды движению
частицы находят по формуле Стокса
Кс=6л|дги,	(17.11)
где ц - коэффициент динамической вязкости среды, Н • с/м2; г - радиус
сферической частицы, мм.
5.	Сила взаимодействия одной частицы с другими, находящимися
поблизости. Взаимодействие может быть электрическим и гидродина-
мическим.
6.	Сила, обусловленная электрическим ветром. Двигаясь под
влиянием электрического поля, поток ионов оказывает механическое
воздействие на молекулы газа, встречающиеся на его пути. При этом
возникает движение газа, называемое электрическим ветром. Скорость
частицы в газе взаимосвязана со скоростью электрического ветра. Уста-
новлено, что считаться с электрическим ветром нужно лишь при скоро-
стях газа порядка 1м/с.
Траектория заряженной частицы в электрическом поле может
быть описана векторным уравнением следующего вида:
307
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
т -
(17.12)
п
где т - масса частицы; dK/dx - ускорение частицы; - векторная
1
сумма всех сил, воздействующих на частицу.
17.4.	Адсорбирование частиц в электрическом поле
В электрическом поле возможно два вида осаждения: электрооса-
ждение аэрозольных частиц; электроосаждение в электрофильтре.
Электроосаждение аэрозольных частиц. В этом случае в газе
находятся и заряженные частицы твердого вещества, и капельки жидко-
сти. Очистка газа осуществляется за счет поглощения капельками жид-
кости частиц твердого вещества с выведением образовавшейся суспен-
зии из очистительного устройства.
Между частицами вещества и капельками жидкости действуют
следующие силы.
1.	Сила взаимодействия заряженной частицы с каплей (кулонов-
ское взаимодействие)
F =
К 4л80Г
где q4, qK - заряды частицы и капли соответственно, Кл; 80 _ заряд час-
тицы в электрическом поле, Кл; г — расстояние между заряженными
частицами и каплей, м.
2.	Сила индукции между зарядом на капле и индуцированным
зарядом на частице
F„K =---2,	(17-14)
(е + 2)16л80г2
где е - заряд частицы, Кл; d4 - диаметр частицы, м.
3.	Сила индукции между зарядом на частице и индуцированным
зарядом на капле
Е1 _	_______Г________	/17 1
Льч” о 3	/Л 2	12\2 9
1 Зл80Г	7Г80 (4г - d*.)
где <7К - диаметр капли, м.
308
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
4.	Сила взаимодействия между униполярно заряженными части-
цами
2 j3
F,=~T^’	<1716)
у 24е0г2
где q4 ~ заряд частицы, Кл; d4 - диаметр частицы, м; п - концентрация
униполярно заряженных частиц; г — расстояние между частицами, м.
Электроосаждение аэрозольных частиц наблюдается в том случае,
когда силы притяжения между каплей и частицей больше сил отталки-
вания между ними.
Электроосаждение в электрофильтре. Механизм осаждения час-
тиц в электрофильтре связан с электрическим полем. Главную роль
в этом процессе играют физические характеристики вещества: прово-
димость, диэлектрическая проницаемость, плотность и т. д. Кроме фи-
зических свойств частиц на процесс осаждения оказывают влияние мно-
го других факторов: скорость газа, режим удаления частиц, температу-
ра, влажность и состав газа, размеры и форма частиц, степень чистоты
осадительного электрода и т. д. Наибольшую сложность представляет
процесс улавливания частиц в смеси из проводящих и непроводящих
частиц.
Проанализируем один из простейших случаев осаждения частиц,
когда осадительный электрод имеет зеркальную поверхность, закреп-
ленную неподвижно, а в поле находятся сферические частицы, силы
сцепления которых равны нулю. При нормальных условиях улавлива-
ние происходит полем электрофильтра и полем осевших частиц.
Частицу и осадительный электрод можно представить как конден-
сатор, заряженный до напряжения U = ф - ф0, где ф - потенциал части-
цы; фо - потенциал стенки (в рассматриваемом случае фо = 0).
При соприкосновении со стенкой частица разряжается. Скорость
разряда определяют по формуле
=	=	[1 + 2(£-1)/(£ + 2)]^
dT R	°	RC
где т - время заряда частицы, с; R - общее сопротивление частицы, Ом;
R = + г2 + г3,
309
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
где Fi, г2, г3 - соответственно внутреннее, поверхностное и контактное
сопротивление частицы, Ом; е - заряд электрона, Кл; Е - напряжен-
ность электрического поля, В/м; d — диаметр частицы, м; С — емкость
конденсатора, Ф
Из выражения (17.17) следует, что важную роль при удержании час-
тицы на стенке осадительного электрода играет ее проводимость. При вы-
сокой проводимости частица разряжается очень быстро. При условии, ес-
ли сила, действующая на частицу внешним полем, будет равной нулю
и при этом силами сцепления можно пренебречь, то частица потоком газа
будет сорвана с электрода и снова окажется во взвешенном состоянии.
Нетрудно заметить, что в идеальном электрофильтре проводящую части-
цу удержать практически невозможно. В случае если проводимость час-
тицы мала, то разряжается она медленно. В любой момент времени на ней
будет находиться заряд и частица будет прижатой полем к электроду.
> Итак, электрическое поле высокой напряженности по-
разному воздействует на вещество, находящееся в зоне его влияния.
Наряду с изменением физических и химических свойств материала
происходит изменение распределения образующих его частиц в про-
странстве. Применение электрических полей высокой напряженности
в технологических процессах получило общее название электронно-
ионной технологии.
В настоящее время получили развитие следующие ЭИТ: электро-
газоочистка, электросепарация, электроокраска, электропечать, элек-
троосмос, электрофорез и др.
Обнаруженные свойства электрического поля высокой напряжен-
ности вскоре были использованы в различных электростатических уста-
новках, с которыми и ознакомимся в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Найти потенциал на поверхности шара при переносе
точечного заряда q = 10 нКл на расстояние 7=10 см, если радиус шара
R = 4 см; электрическая постоянная Ео = 8,85-10-12Кл2Дн-м2j; ди-
электрическая проницаемость среды Е = 14; потенциал поля <рп = 0.
310
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
Решение. Потенциал на поверхности шара
А
4,0 “ 9(1 +//Я)’
где А - совершенная работа, Дж;
Л = 9(Ч>к.т-ф„)<
где фк,т - потенциал поля в конечной точке;
q
<*>к'т 4пЕ0Ег ’
где г - расстояние между проводником и центром шара, см;
г = l + R = 10 + 4 = 14 см.
Получаем:
Ю
фк т =--------------—=6>4;
4-3,14-8,85-10’12-14
Л = 10 (6,4-0) = 64 Дж;
64
Фо =---------— = 1,8.
0 10-(1 + 10/4)
Ответ', фо = 1,8.
Пример 2. Найти емкость сферического конденсатора, который
состоит из металлического шарика диаметром d= 1,5 см (катод) и внут-
ренней поверхности сферической колбы D = 11 см (анод). Воздух из
колбы откачивается.
Решение. Емкость конденсатора, пФ,
C = q/kq,
где Дф - разность потенциалов, В;
Дф = ф1 - ф2,
где ф1 - потенциал внешней сферы, В;
311
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
2<7	240	1 ЛА
Ф, = —— =------------= 1,06
1	4-3,144,5
В;
ф2 _ потенциал внутренней сферы, В;
240
ср9 = —— =-----------= 0,15 В;
2 4nD 4-3,14-11
Дф = 1,06-0,15 = 0,91В.
Получаем
С = — = 10,9 пФ.
0,91
Ответ'. С = 10,9 пФ.
Задачи
1.	За какое время t заряд пролетит расстояние без начальной ско-
рости? Поверхностная плотность заряда на обкладках плоского воздуш-
ного конденсатора о = 0,3 мкКл/м2, площадь обкладок S = 100 см2, ем-
кость конденсатора С = 10 пФ.
2.	При электронно-ионном процессе определить напряженность
электрического поля вдоль радиуса системы коаксиальных электродов,
в точке X, отстоящей на 0,05 м от центра системы, если известно: началь-
ная напряженность короны для цилиндрического коронирующего элек-
трода Е = 6 кВ/м, давление Р = 106 Па, температура воздуха Т = 293 К,
радиус цилиндра г = 0,1 м, напряжение между электродами U= 1 кВ.
3.	Найти разность потенциалов между пластинами конденсатора, если
туда поместить мыльный пузырь массой т = 0,01 г, расстояние между пла-
стинами <7=5 см. Мыльный пузырь зарядом q = 222 нКл находится в рав-
новесии в поле плоского горизонтально расположенного конденсатора.
4.	Определить концентрацию п и подвижность ц зарядов ацетата ин-
дия, если его удельное сопротивление р = 2,54О-3Ом-м, постоянная Хол-
ла/? = 10 2 м2/Кл . Проводимость осуществляется зарядами одного знака.
Вопросы и задания для самопроверки
1.	Что такое коронный разряд?
2.	Объясните назначение коронирующего электрода.
312
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных технологий
3.	За счет каких сил ионы оседают на поверхность электрода?
4.	Назовите силы взаимодействия между частицами.
5.	Напишите векторное уравнение траектории заряженной части-
цы в электрическом поле.
313
Глава 18. УСТРОЙСТВО И РАБОТА
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
18.1.	Устройство и работа
электрофильтров
Электрофильтр состоит из следующих основных элементов
(рис. 18.1):
1)	системы подготовки газов для подачи в электрофильтр, в кото-
рую входят блоки увлажнения газа и выравнивания профиля скоростей;
2)	источника питания, состоящего из повышающего трансформа-
тора в комплекте с регулирующим автотрансформатором и высоко-
вольтным выпрямителем.
Схема воздействия электрического поля на частицы вещества
в электрофильтрах включает две стадии: а) предварительная бескон-
тактная зарядка частиц; б) осаждение частиц за счет кулоновского взаи-
модействия их зарядов с электрическим полем [3, 7, 19].
Рис. 18.1. Принципиальная схема электрофильтра: 1 - регулирующий авто-
трансформатор; 2 - повышающий трансформатор; 3 - высоковольтный вы-
прямитель; 4 - кабель с ограничительным сопротивлением; 5 - изолирую-
щий ввод; 6 - коронирующий электрод; 7 - осадительный электрод; 8 - ме-
ханизм встряхивания; 9 - бункер
314
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
Принципиальная схема действия электрофильтра заключается
в следующем. От источника питания на коронирующий и осадительный
электроды подается высокое напряжение постоянного тока. Между
электродами возникает неоднородное электрическое поле. Необходимая
разность потенциалов Uq для создания коронного разряда в электро-
фильтре определяется по известному значению напряженности элек-
трического поля Ео для соответствующей конструкции электрофильтра.
По мере повышения напряжения после возникновения коронного разря-
да ток быстро увеличивается. При чрезмерном повышении напряжения
коронный разряд может перейти в искровой. Рабочие токи в электро-
фильтре составляют 0,1-1-0,5 мА на 1 м длины электрода.
По достижении разности потенциалов между электродами элек-
трофильтра 50-80 кВ напряженность электрического поля может со-
общить свободным электронам и ионам газа скорость выше критиче-
ской. Энергия таких электронов может быть достаточной для ударной
ионизации нейтральных частиц. Образующиеся при этом ионы и сво-
бодные электроны также разгоняются электрическим полем до крити-
ческих значений и ионизируют другие атомы и молекулы. Этот про-
цесс нарастает лавинообразно. Данная ионизация называется корони-
рованием.
После образования короны в электрофильтре возникают две зоны.
Первая расположена вокруг коронирующего электрода, она заполнена
положительно и отрицательно заряженными ионами и электронами.
Вторая занимает пространство между короной и осадительным электро-
дом, она заполнена только отрицательными ионами и электронами. По
этой причине при прохождении через полость электрофильтра запылен-
ного газа большинство пылинок получает отрицательный заряд
и направляется к положительному осадительному электроду 7 (рис. 18.1).
Осадительные электроды периодически встряхивают специальным ме-
ханизмом 8 и осевшая на них пыль осыпается в бункер 9.
Энергию электрического поля, необходимую для сепарации час-
тиц в электрофильтре, можно теоретически определить при рассмотре-
нии процесса перемещения частицы в газах на расстояние до осади-
тельного электрода под действием силы электрического поля.
Так как эффективность электрофильтра повышается с ростом
значения тока и амплитудного (эффективного) значения напряжения,
необходимо стремиться к увеличению полезной мощности, расходуе-
мой на работу электрофильтра. Для достижения эффективной работы
электрофильтра потребляемая им мощность не должна ограничиваться.
315
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
Электрофильтр даже большого размера, например типа ДГПН-55-3,
очищающий около 100 м3/с дымовых газов (360 000 м3/ч) от золы при
расходе электроэнергии около 0,83 МДж на 1 000 м3/ч (0,23 кВт-ч на
1 000 м3), потребляет всего 83 кВт. Ограничение потребляемой мощно-
сти дает небольшую экономию энергии, но ведет к существенному
снижению степени очистки газов.
Экономический эффект от применения электрофильтров весьма
значителен: пыль, улавливаемая электрофильтром, порой представляет
большую ценность, поскольку в ней могут содержаться серебро, медь,
никель, сурьма, цинк, свинец, магний и другие химические элементы.
Экологический и гигиенический эффект электрофильтров трудно
переоценить, так как тепловые электростанции, предприятия металлур-
гической промышленности выбрасывают в воздух огромное количество
всевозможных газов, загрязняющих атмосферу и окружающую среду.
Успешно эксплуатируются электрофильтры для очистки воздуха
в животноводческих хозяйствах и на птицефермах, характеризующихся
большой запыленностью и бактерицидной осемененностью. Такие агре-
гаты (U=rl кВ, 1= 80-100 мкА) улавливают более 90 % пылевых частиц
диаметром более 1 мк и 80 % микроорганизмов, с производительностью
350-420 м3/ч воздуха.
Оборудование электрофильтров. Конструкцию электрофильтра
в каждом конкретном случае определяют технологические условия его
работы: состав и свойства очищаемых газов и содержащихся в газах
взвешенных частиц, температура, давление и влажность очищаемых га-
зов, требуемая степень очистки и другие требования.
Как правило, электрофильтры подразделяют на две группы: одно-
зонные, в которых зарядка и осаждение частиц происходят в одной зоне,
там, где расположены коронирующая и осадительная системы; двухзон-
ные'. в первой зоне располагается коронирующая система - ионизатор,
во второй - осадительная система (осадитель).
По форме осадительного электрода электрофильтры подразделяют
на трубчатые и пластинчатые. Трубчатый электрофильтр изготавли-
вают из стальных труб - осадительных электродов. По оси труб натяну-
та проволока - коронирующий электрод. Пластинчатый электро-
фильтр собирают из ряда параллельных металлических пластин или
частого ряда проволок, являющихся осадительными электродами. Меж-
ду рядами этих электродов подвешивают проволочные коронирующие
электроды.
316
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
В корпусе пластинчатого электрофильтра может быть размеще-
но несколько независимых, последовательно расположенных систем
электродов (электрических полей). По числу полей такие электро-
фильтры называются двух-, трех-, четырех- и многопольными. Пла-
стинчатые электроды способны улавливать и жидкие, и твердые час-
тицы. Электрическое поле в них слабее, чем в трубчатых, но они
проще в изготовлении и встряхивать электроды в них значительно
легче, чем в трубчатых.
Кроме основного оборудования электрофильтры имеют узлы под-
вода, распределения и отвода газов. Они должны обеспечивать равно-
мерное распределение газов по сечению электрофильтра, а также вход-
ные и выходные коллекторы, имеющие сечение, соответствующее коли-
честву пропускаемых газов на отдельных участках. Для регулирования
пропускной способности газов через секции электрофильтров, на выходе
установлены дроссельные заслонки. Кроме этого, на выходе, как прави-
ло, делают плавный переход от сечения электрофильтра к сечению газо-
провода или дымовой трубы.
Корпус трубчатых осадительных электродов иногда выполняют из
двух частей: нижней - входной коробки с бункерами и верхней - вы-
ходной коробки. В такой конструкции осадительные электроды распо-
ложены открыто между коробками.
Корпус изготавливают из стали, алюминия и других металлов,
а также из кирпича, железобетона и других материалов. При необходи-
мости его футеруют и снабжают теплоизоляцией.
Коронирующие электроды имеют особую форму для создания ин-
тенсивного однородного коронного разряда. Они должны обладать ме-
ханической прочностью и жесткостью для обеспечения продолжитель-
ной службы (что особенно важно в условиях вибрации и раскачивания
под влиянием сил электрического поля, воздействия механизма встря-
хивания и движущегося газового потока), а также стойкостью в газовой
среде, которая может иметь высокую температуру и содержать агрес-
сивные вещества.
Конструкции коронирующих электродов подразделяют на две
группы:
к первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксиро-
ванных разрядных точек. При отрицательной короне точки разряда рас-
пределяются по поверхности электрода в зависимости от состояния этой
поверхности и режима работы электрофильтра. Такие электроды при-
меняются как в трубчатых, так и в пластинчатых электрофильтрах;
317
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
ко второй группе относятся электроды с фиксированными точ-
ками разряда по их длине. Такими точками на поверхности электрода
могут быть острия или шипы и даже колючая проволока. Применяются
также электроды из ленты, уголка со штампованными зубцами или
шипами. Такие электроды используются в пластинчатых электро-
фильтрах.
Осадительные электроды трубчатых электрофильтров выполняют
из труб круглого, квадратного или шестигранного сечения. Осадитель-
ные электроды мокрых пластинчатых электрофильтров изготавливают
в виде гладких пластин.
Надежная работа электрофильтров зависит от состояния электро-
дов, большинство которых эксплуатируется при повышенной темпера-
туре и в условиях агрессивной пылегазовой среды. Поэтому эти узлы
изготавливают из материалов высокого качества - конструкционных
и специальных сталей, электроды обязательно подвергают термообра-
ботке для исключения деформации при изменении температуры во вре-
мя работы. Для мокрых электрофильтров осадительные электроды мож-
но изготовлять из угля, графита, дерева, кирпича, пластмасс и т. д. Для
удаления с электродов осажденной пыли, в мокрых электрофильтрах
применяют брызгалки и форсунки: с их помощью периодически или не-
прерывно промывается поверхность электродов. Коронирующие элек-
троды промывают через надетые на них воронки.
В сухих электрофильтрах для удаления с электродов осевшего
продукта применяют механизмы встряхивания: ударно-молотковый,
пружинно-кулачковый, магнитно-импульсный и др.
Для подключения высокого напряжения к осадительным элек-
тродам прокладывают стальную шину положительной полярности,
которую в нескольких местах присоединяют к контуру заземления.
Разрывы шины положительной полярности от выпрямителя к элек-
трофильтру недопустимы, в противном случае прикосновение челове-
ка к шине положительной полярности выпрямителя может вызвать
поражение работника электрическим током. Для предотвращения та-
кой ситуации линия положительной полярности выпрямителя снаб-
жена искровым предохранителем - прямым ответвлением к заземле-
нию через определенный воздушный промежуток. При разрыве цепи
этот промежуток пробивается искрой, и ток в цепи заземления вос-
станавливается автоматически.
К коронирующим электродам ток подводится по высоковольтному
бронированному одножильному кабелю.
318
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
В случае близкого расстояния от подстанции до электрофильт-
ров к ним можно подводить напряжение по стальным шинам диамет-
ром 10-12 мм, расположенным на опорных изоляторах внутри защит-
ных кожухов или подобных конструкциях.
18.2.	Конструктивные особенности питания
электрофильтров
Выпрямители для питания электрофильтров, их схемы, конструк-
ции блоков и способы регулирования напряжения определяют надеж-
ность и эффективность электрогазоочистки.
В состав выпрямительного агрегата входят регулятор напряжения,
повышающий трансформатор, выпрямитель и интегратор. По принципу
действия различают источники тока и источники напряжения. При пита-
нии фильтра от источника тока (автотрансформатор, магнитный усили-
тель с самонасыщением, тиристорный регулятор) ток короны практически
остается постоянным, а выходное напряжение изменяется пропорцио-
нально сопротивлению нагрузки. При питании от источника напряжения
(магнитный усилитель с последовательным, параллельным или смешанным
соединением обмоток) ток короны существенно зависит от напряжения.
Агрегаты питания электрофильтров снабжены устройствами, обес-
печивающими: автоматическое регулирование напряжения от t/min до
Ц11ах и поддержание его в пределах пробивного и сниженного на заданное
значение; ограничение энергии, выделяющейся при дуговых разрядах
в электрофильтре (для предотвращения оплавления электродов), и мини-
мальные перерывы в питании, необходимые для гашения дуги при про-
бое; включение высокого напряжения только минимального значения;
возможность изменения уровня напряжения вручную; аварийное отклю-
чение агрегата; сигнализацию о режимах работы агрегата.
Агрегат (рис. 18.2) состоит из выпрямительного блока высокого на-
пряжения с высоковольтным переключателем и панели управления. Блок
включает повышающий трансформатор Т и высоковольтный выпрямитель
В1, находящиеся в общем баке, заполненном трансформаторным маслом.
Отрицательный полюс выпрямителя соединен с коронирующими электро-
дами электрофильтра, а положительный полюс и осадительные электроды
заземлены. Магнитный усилитель МУ, соединенный последовательно
с первичной обмоткой трансформатора, позволяет за счет изменения тока
подмагничивания регулировать высокое напряжение в широких пределах.
319
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
Рис. 18.2. Схема источника питания электрофильтра типа АИФ
Регулятор напряжения Р, имеющий исполнительный механизм, по
команде блока управления БУ изменяет напряжение на первичной об-
мотке трансформатора управления ТУ. Со вторичной обмотки ТУ через
выпрямитель В2 и сглаживающие дроссели L выпрямленное регулируе-
мое напряжение подается в цепь подмагничивания магнитного усилителя
МУ, чем регулируется напряжение высоковольтного трансформатора Т.
При отключении цепи подмагничивания напряжение на высоковольт-
ном трансформаторе снижается до установленного минимума.
Блок управления БУ состоит из релейно-контактной системы, реле,
а также защитной и сигнальной аппаратуры. Устройство обратной связи
У ОС получает импульсы от датчиков - реле напряжения PH и реле тока
РТ и передает их в БУ для воздействия на регулятор напряжения Р.
Автоматическое регулирование заключается в следующем. При
подаче напряжения на панель управления система автоматики приводит
аппаратуру в пусковое положение. Напряжение подается на силовой
трансформатор Т, и регулятор Р приступает к повышению напряжения
на ТУ, увеличивая ток подмагничивания МУ. При этом повышается на-
пряжение на силовом трансформаторе Т и на электродах электрофильт-
ра. Повышение напряжения идет до максимально возможного значения
или до возникновения электрических разрядов в электрофильтре.
При появлении искровых разрядов напряжение на электрофильтре
автоматически резко падает. Это приводит к снижению тока, после чего
искровые разряды прекращаются. При возникновении устойчивой элек-
320
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
трической дуги срабатывает максимальное токовое реле РТ, а из-за рез-
кого увеличения падения напряжения на магнитном усилителе отклю-
чается реле напряжения. В обоих случаях срабатывает соответствующее
реле защиты, отключающее в БУ контактор в цепи подмагничивания
МУ. Напряжение на высоковольтном трансформаторе снижается до ми-
нимального значения, и дуга гаснет.
При отсутствии пробоев соответствующее реле включает меха-
низм на повышение напряжения в цепи подмагничивания МУ до на-
пряжения пробоя, после чего процесс регулирования напряжения по-
вторяется.
При возникновении продолжительных электрических пробоев
или коротких замыканий в электрофильтре, специальное реле отклю-
чает электроагрегат и включает световую и звуковую аварийную сиг-
нализацию.
Наблюдение за работой электроагрегата осуществляется с помо-
щью контрольно-измерительных приборов - вольтметра, амперметра,
миллиамперметра и сигнальных ламп. Предусмотренные блокировки
обеспечивают сочетание работы агрегата с технологическим процессом
основного производства.
В некоторых источниках питания электрофильтров предусматрива-
ется экстремальное регулирование. В этом случае ведется автоматиче-
ский поиск электрического режима, обеспечивающего максимальный
уровень среднего значения напряжения на электродах фильтра. В них
возможно ручное и автоматическое управление напряжением и током
короны от нуля до номинального уровня. Система автоматического
управления отслеживает отрицательную обратную связь между интен-
сивностью искровых разрядов и напряжением на выходе выпрямителя.
Интенсивность определяется суммарной продолжительностью искровых
разрядов за некоторый период усреднения, время которого может регу-
лироваться. При очередной серии разрядов наблюдается скачкообразное
снижение напряжения на электрофильтре на 0,5-1,5 % от номинального
с последующим его медленным повышением. Уровень снижения напря-
жения агрегата тем больше, чем выше интенсивность разрядов.
Как правило, на электрофильтре устанавливается близкий к опти-
мальному динамический уровень напряжения, который изменяется в за-
висимости от режима работы. При появлении разряда между электрода-
ми управляющее устройство электрофильтра на 0,01-0,02 с полностью
снимает напряжение с электродов, которое затем медленно восстанавли-
вается до заданного уровня в течение 0,02-0,03 с.
321
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
80 кВ
Рис. 18.3. Принципиальная электрическая схема источника питания типа
АТФ: 1 — сетевой автомат; 2 - фильтр защиты от помех; 3 — силовой тири-
сторный блок; 4 - реактор, ограничивающий броски тока при переходных
процессах и подавляющий высшие гармоники; 5 - повышающий трансфор-
матор; 6 - кремниевый выпрямитель; 7 - сглаживающий реактор; 8 - высо-
ковольтное распределительное устройство
При исчезновении тока возникает деионизация дугового канала
в электрофильтре за время около 0,01 с. Такое быстродействие схемы
стало возможно при замене магнитного усилителя тиристорами. Прин-
ципиальная схема силовой цепи такого источника питания представлена
на рис. 18.3. Тиристорный силовой блок выполняет роль коммутирую-
щей аппаратуры и плавного регулирования напряжения на входе сило-
вого трансформатора.
18.3.	Применение электростатических технологий
в установках различного назначения
Электроосмотическое опреснение воды. Электротехнологиче-
ские установки, использующие явление электроосмоса, применяют для
очистки воды, выделения растворенных в ней веществ, получения пить-
евой воды для населения и пресной воды для производства.
Установка электроосмотического опреснения воды предназначена
для получения пресной воды путем очистки морской воды (рис. 18.4).
Установка состоит из 10-12 ячеек, каждая из которых разделена диа-
фрагмами 3 на три отделения 6, 7, 8. Поступающая для очистки вода по
трубам 5 подается в нижнюю часть всех трех отделений ячейки.
322
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
Рис. 18.4. Схема установки электроосмотического опреснения воды
В воду помещают электроды 2, на которые подают высокое напря-
жение постоянного тока. Растворенные в воде соли (Na2SO4, CaSO4, СаН-
СОз) диссоциируют на катионы Na+, Са2+, II, движущиеся к катоду 8,
и анионы SO4 JICO3 , направляющиеся к аноду 6. В катодном отделе-
нии 8 вода становится щелочной, а в анодном — кислой, и по трубам 1
она отводится поочередно через все 10—12 ячеек опреснительного уст-
ройства. По мере обеднения очищаемой воды солями сопротивление
раствора постепенно, от ячейки к ячейке, растет. По этой причине
к электродам ячеек от источника постоянного тока подводится напря-
жение, увеличивающееся от 55 до 220 В от ячейки к ячейке по мере рос-
та сопротивления раствора.
Разделение суспензий. Установки, предназначенные для этого
процесса, используют явление электрофореза. Они применяются в про-
мышленности для обезвоживания каолина при очистке его от примесей
(пирита, слюды, кварца и т. д.). Загрязненный каолин смешивают с во-
дой, добавляют жидкое стекло и после отстаивания удаляют грубые
частицы. Водную суспензию каолина направляют через разделительную
установку. В ней в результате электрофореза твердые частицы суспен-
зии перемещаются в направлении вращающегося анода и осаждаются на
фильтровальном сукне, покрывающем анод. Очищенная от каолина во-
да направляется к катоду и затем в слив. Отложения каолина собирают-
ся на плавно перемещающемся сукне анода.
323
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
Разделение эмульсий каучука (латекса) также основано на при-
менении электрофореза. В эмульсии каучука, помещенной в электроста-
тическое поле, частицы получают отрицательный заряд и в процессе
электрофореза движутся к металлической сетке, служащей анодом.
Осажденный на сетке влажный каучук промывается водой над ванной,
на дне которой расположен катод, просушивается на столе, после чего
сухой каучук срезают с металлической сетки специальным ножом.
Разделение сыпучих смесей в электрическом поле проводят в уста-
новках, предназначенных для очистки семян различных культур от приме-
сей (рис. 18.5). Направляясь из бункера-дозатора в поле коронного разряда,
семена заряжаются, ориентируются вдоль силовых линий поля F3 и под их
воздействием перемещаются от коронирующего электрода к осадительно-
му. Их перемещение зависит от вида и электрофизических свойств семян.
Наличие этих свойств у очищаемых семян позволило создать зерноочи-
стительные машины камерного, барабанного и решетчатого типов. Обра-
ботанные в электрическом поле семена отличаются повышенными всхо-
жестью, энергией прорастания, выживаемостью и урожайностью. Ди-
электрический сепаратор семян запитывается непосредственно от сети
переменного тока. Электрическое поле создается параллельно намотанны-
ми в один слой на диэлектрическом барабане изолированными проводами.
Семена высыпаются на барабан тонким слоем. Электрическое поле удер-
живает семена на поверхности барабана в зависимости от их диэлектриче-
ской проницаемости. При вращении барабана центробежная сила отрывает
семена от барабана в разных местах его нижней части, что позволяет из од-
ной и той же партии семян выделить фракции одинакового качества.
Окраска металлических изделий в высоковольтном электриче-
ском поле заключается в следующем. На заземленном конвейере под-
вешивают подлежащие окраске изделия. Конвейер перемещается по ка-
мере, внутри которой сверху и снизу конвейера на изоляторах размеще-
ны рамы с металлическими сетками, соединенными с высоковольтным
выпрямителем и являющимися коронирующими электродами. При оп-
ределенном напряжении между сетками и конвейером возникает корон-
ный разряд. Вдуваемые распылителем через сопло частицы краски за-
ряжаются в электрическом поле и, став отрицательными ионами, дви-
жутся к положительно заряженным окрашиваемым изделиям (аноду).
Заряженные частицы попадают на изделия со всех сторон и равномер-
ным слоем окрашивают всю поверхность.
324
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
Рис. 18.5. Схемы установок для разделения сыпучих смесей: а — камерная;
б — барабанная; в — решетчатая; г - диэлектрический сепаратор; 1 - коронирую-
щий электрод; 2 — бункер-дозатор; 3 — осадительный электрод; 4 — приемные
бункера; 5 - щетка; 6 - плоский электрод; 7 - токопроводящие кольца; 8 - про-
вода; 9 — диэлектрический цилиндр; (-£) - силовые линии электрического поля;
F3 - сила электрического поля; FT - сила тяготения; Fu - центробежная сила;
Fw - сила трения; <в - направление вращения; и - напряжение на электрофильтре
> Электростатические технологии успешно применяются в раз-
личных технологических процессах: при электроосмотическом опресне-
нии воды, разделении суспензий, эмульсий, сыпучих смесей, окраске ме-
таллических изделий и др. Рассмотренные электротехнологии широко
применяются не только в промышленном секторе экономики, но и в сель-
ском хозяйстве. На этом мы подробнее остановимся в следующей главе.
325
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить потребляемую агрегатом мощность, если из-
вестно: /ном = 25 А; /^ом = 320 кВт; UH0M = 35 кВ; активная длина корони-
рующего электрода I = 3,5 м; напряжение на электрофильтре U= 34,2 кВ;
удельный ток короны / = 7 А/м.
Решение. Мощность, потребляемая агрегатом, Вт,
НОМ I и5
где Kj, Ки - коэффициенты загрузки тока и напряжения;
НОМ
где I — ток потребляемый электрофильтром, А;
/ = // = 3,5-7 = 24,5 А;
„ =-^ = — = 0,977;
и	35
ном	и
24 5
—= 0,98.
25
Получаем
Р = 320 • 0,98 • 0,977 = 306,39 кВт.
Ответ'. Р = 306,39 кВт.
Пример 2. Определить КПД электрофильтра, если известно: площадь
осаждения осадительных электродов 5=1 200 м2; напряженность поля
осаждения Е = 50 000 В; расстояние между плоскостями осадительных
и коронирующих электродов d = 12,5 м; динамическая вязкость воздуха
ц = 23,5 • 10’6 м • с/м2; объемный расход очищаемых газов V= 10 м3/с3.
Решение. Коэффициент полезного действия электрофильтра
т| = 1 - е и/,
где w - скорость дрейфа частиц, м/с;
326
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок
Ес -0,17-Ю’11
w = — ------------------,
Н
где £ср - средняя напряженность поля, В/м;
£ср =£Д/ = 50 000/12,5 = 4-Ю5 В/м;
4-Ю5-0,1710-" ... ,
w =--------------= 0.03 м/с;
23,5-Ю’6
/- удельная поверхность сжатия, с3/м;
f = S/V = \ 200/10 = 120 с3/м.
Получаем
П = 1 -е-0’03120 =0,97 %.
Ответ: т| = 0,97 %.
Задачи
1.	Определить энергию, затраченную на выделение взвешенных час-
тиц из газового потока в электрофильтре, если известно: мощность, по-
требляемая механизмами встряхивания электродов, Рм = 1 300 Вт; мощ-
ность, потребляемая приводами обдувочных устройств, Робдув = 800 Вт;
амплитудное значение напряжения Um = 400 В; коэффициент формы
кривой = 0,3; КПД электроагрегата (cos ф = 0,7) г|э = 0,8; среднее зна-
чение тока, потребляемого электрофильтром, 1ср = 5 А; напряжение сети
Uc = 380 В.
2.	Определить емкость плоского конденсатора и силу притяжения
пластин, если разность потенциалов между ними составляет /= 280 В.
Площадь пластин конденсатора S = 0,01 м2. Поверхностная плотность
заряда на пластинах о = 495 нКл/м2.
3.	При электронно-ионном процессе определить напряженность
электрического поля Ех вдоль радиуса системы коаксиальных электро-
дов в точке X, отстоящей на 0,05 м от центра, если известно: начальная
напряженность короны для цилиндрического коронирующего электрода
Ео = 6 кВ; давление воздуха Р = 106 Па, температура воздуха Т = 293 К;
радиус цилиндраR = 0,1 м; напряжение между электродами U= 1 кВ.
327
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий
4.	Определить выделяющуюся на аноде и катоде мощность OL1, QK, ес-
ли известно: ток дуги /д = 50 А; катодное падение потенциала UK = 90 В;
амплитудное значение напряжения источника питания Цы = 115 В; на-
пряженность электрического поля дугового столба Е = 5 В/м; длина ду-
ги / = 0,03 м; напряжение дуги переменного тока С1Л = 110 В.
Вопросы для самопроверки
1.	Из каких основных элементов состоит агрегат электрофильтра?
2.	В чем заключается экономический эффект работы электро-
фильтров?
3.	В чем отличие трубчатых и пластинчатых осадительных элек-
тродов?
4.	Какие электроды имеют электрофильтры?
5.	Каков принцип работы источника питания электрофильтра?
328
Часть VII. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Глава 19. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ
И ПТИЦЕВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ
19.1.	Определение мощности нагревательной установки
Главными факторами успешного ведения животноводческого
и птицеводческого хозяйства на промышленной основе являются мик-
роклимат в помещениях для содержания скота и птицы и кормовая база.
Что касается питания животных и птицы, это сфера ответственности
зооинженера, а вот при решении вопросов, связанных с микроклиматом,
решающее слово за энергетиком.
Микроклимат — совокупность физических и химических парамет-
ров (температура, влажность, подвижность воздуха, содержание углеки-
слоты, аммиака, сероводорода, запыленность, наличие микрофлоры, ио-
носодержание и др.) воздушной среды, искусственно создаваемых в за-
крытых помещениях.
Температура воздуха - один из основных параметров микроклимата.
Ее влияние на продуктивность животных и птицы во многом зависит от их
породы и индивидуальных особенностей. Так, для крупного рогатого скота
молочного направления оптимальной считают температуру в помещении
8-15 °C. У молочных коров при температуре воздуха выше 20-22 °C отдача
молока снижается, а при более высокой температуре уменьшается его
жирность. С понижением температуры до минус 5 °C потребление кормов
коровами возрастает в 1,5-2 раза. При снижении температуры воздуха
в свинарниках до 5 °C уменьшаются среднесуточные привесы на 40-60 г,
а расход корма возрастает на 0,3-0,5 кормовой единицы.
Оптимальные температурные параметры воздушной среды поме-
щений для содержания животных и птицы создают при помощи отопи-
тельных средств и устройств вентиляции, объединяемых понятием
«отопительно-вентиляционная система».
Необходимая температура в помещениях для содержания живот-
ных и птицы создается электроотопительными системами, которые могут
329
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
быть общего, местного и комбинированного обогрева. Системы общего
обогрева предусматривают поддержание равномерной температуры во
всем объеме помещения. Местный обогрев обеспечивает оптимальную
температуру только в помещениях, где находятся животные и птица.
Комбинированный обогрев осуществляется с использованием как общего,
так и местного отопления. Отличительной особенностью работы такой
схемы является то, что температура воздуха в местах нахождения живот-
ных и птицы отличается от вспомогательных помещений (кормохрани-
лище, складские помещения, ремонтные мастерские и т. д.).
Большие животноводческие комплексы и птицефабрики обеспечи-
ваются теплом, как правило, большими котельными, которые работают
на угле, мазуте или газе. А для местного обогрева применяют электро-
термические и бактерицидные установки (калориферы, электрорадиа-
ционные панели и ультрафиолетовые лампы). Однако чаще применяют
комбинированный обогрев, используя, наряду с теплом от котельных
и малоинерционных электрообогревателей, доводчики, которые позво-
ляют поддерживать температуру с высокой точностью в боксах с мо-
лодняком животных и птицы. С точки зрения электроснабжения, такой
принцип обогрева является наиболее эффективным.
Для определения мощности системы электрообогрева помещений
для содержания скота и птицы пользуются уравнением баланса тепло-
вых потоков
Фт.о = Фт.п,	(19.1)
где Фт.о ~ общий тепловой поток источников теплоты, находящихся
внутри помещения, Вт; Фтп - суммарный тепловой поток потерь, Вт.
Тепловой поток внутри помещения создается в основном системой
электроотопления, животными и птицей:
Фт.о = Фо + Фж,	(19.2)
где Фо _ тепловой поток системы электроотопления, Вт; Фж — тепловой
поток животных и птицы, Вт.
Тепловой поток потерь, Вт,
Фтп = Фогр + Фв + Фи,	(19.3)
где Фогр - тепловой поток потерь через ограждения, Вт; Фв - тепловой
поток потерь с вентиляцией, Вт; Фи - тепловой поток потерь на испаре-
ние влаги с различных поверхностей, Вт.
330
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
С учетом уравнений (19.2) и (19.3) тепловой поток системы элек-
троотопления
Ф = Фогр + Фв + Фи - Фж.	(19.4)
Общий поток тепловых потерь через строительные ограждения
определяют, используя удельный тепловой поток потерь (удельную те-
пловую характеристику здания) - тепловой поток, теряемый 1 м3 объе-
ма здания при разности температур внутреннего и наружного воздуха
1 °C. Расчет выполняют по формуле
Фогр=ФудК(/в-/н),	(19.5)
где Фуд — удельный тепловой поток потерь, Вт/(м * °C); V — строитель-
ный объем здания, м3; /в и /н _ расчетные температуры внутри помеще-
ния и наружного воздуха, °C.
При определении мощности системы отопления помещений жи-
вотноводческого и птицеводческого хозяйства в зимний период за рас-
четную температуру воздуха принимают минимально допустимую тем-
пературу. Расчетная температура наружного воздуха берется в зависи-
мости от климатического района расположения хозяйства. Удельный
тепловой поток для помещений животноводческих комплексов и пти-
цефабрик берут из расчета 0,6-1,4 Вт/(м • °C).
Тепловой поток, идущий на нагрев приточного воздуха, определя-
ется по формуле
Фв=4РвСв('в-'н)>	(19.6)
где Тв - объемная подача воздуха на притоке, м/с; рв - плотность воз-
духа, кг/м3; св - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг • °C).
В холодный период объемную подачу приточного воздуха опреде-
ляют по влажности, которая в помещениях птицефабрики или животно-
водческой фермы не должна превышать 80 %, и по предельной концен-
трации углекислого газа в воздухе помещений.
Тепловой поток, связанный с испарением влаги в помещении, оп-
ределяют по формуле
Фи=^Ли/36 000,	(19.7)
где п - количество животных (птиц) в помещении; Иу - количество влаги,
331
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
испаряемой в помещении одним животным (одной птицей), г/ч; c/lt - те-
плота фазового преобразования воды в пар, Дж/г.
Тепловой поток, выделяемый животными (птицей), вычисляют как
Фж=иФ1,	(19.8)
где п - количество животных (птиц) в помещении; Ф1 - тепловой поток,
выделяемый одним животным (одной птицей), Вт.
Для определения мощности системы электроотопления пользуют-
ся зависимостью
Р„ =	(19.9)
где г|т - тепловой КПД, учитывающий потери теплоты в системе ото-
пления.
Тепловой КПД при использовании электрокалориферов, смонти-
рованных в отдельных помещениях, принимают равным 0,95, а при ис-
пользовании электрокотельных - 0,90-0,92.
Все исходные данные для расчета объемной подачи приточного
воздуха и составляющих теплового баланса принимают в соответствии
с нормативами и справочными материалами.
19.2.	Электрокалориферные установки
В животноводческих и птицеводческих хозяйствах применяют элек-
трокалориферные установки двойного назначения, т. е. и для вентиляции,
и для отопления. Причем приточная вентиляция помещений состоит из
нескольких каналов, в которых размещают электрокалориферы. Такая
система обеспечивает высокую надежность работы, даже если выйдет из
строя не одна, а несколько установок одновременно. Данная система легко
автоматизируется по теплообеспечению и подаче свежего воздуха, что по-
зволяет поддерживать оптимальный микроклимат в помещении.
Электрокалорифер - устройство или аппарат, имеющий электро-
нагревательные элементы (спирали или тэны) и вентилятор. Он предна-
значен для принудительного нагрева воздуха путем продувания его че-
рез электронагревательные элементы.
Электрокалориферы нашли широкое применение благодаря своей
компактности и высокому теплообмену по сравнению с электронагрева-
тельными устройствами естественного теплообмена.
332
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Рис. 19.1. Электрокалориферная установка типа СФОА: 1 - электрокалори-
фер; 2 - диффузор; 3 — мягкая вставка; 4 — вентилятор; 5 — заслонка-шифер;
6 — рама
Тепловой узел может состоять из спиралей, смонтированных на
керамических изоляторах, и трубчатых простых или оребренных (обла-
дающих развитой поверхностью нагрева) электронагревательных эле-
ментов. Отопительные калориферы предназначены для отопления, суш-
ки воздуха, создания искусственного климата, а также применяются
в сушильных камерах при различных технологических процессах.
На рис. 19.1 представлена электрокалориферная установка типа
СФОА, широко применяемая как в животноводческих комплексах, так
и на птицефабриках. Предельно допустимая температура поверхности
нагревателей отопительно-вентиляционных электрокалориферных ус-
тановок составляет 170—180 °C. При этой температуре кислород воздуха
не выгорает, что соответствует санитарно-гигиеническим и зооветери-
нарным требованиям. Температура воздуха на выходе из электрокало-
рифера должна быть не больше 40-50 °C.
Наряду с электрокалориферной установкой СФОА в животно-
водческих и птицеводческих комплексах используют установки типа
СФОЦ. По своим техническим характеристикам установки СФОА
и СФОЦ незначительно отличаются друг от друга и поэтому обе широ-
ко применяются в соответствующих хозяйствах.
Установки названных типов состоят из унифицированного калори-
фера типа СФО, центробежного вентилятора Ц-4-70 (рис. 19.1) и шкафа
333
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
управления. Электрокалорифер состоит из каркаса с вмонтированным
в него блоком с тэнами общей мощностью 90 кВт и кожуха, изготовлен-
ного из листовой стали. Электропитание калориферных установок осу-
ществляют от трехфазной сети переменного тока напряжением 0,4 кВ
и в редких случаях напряжением 220 В.
Электрокалориферы СФОА и СФОЦ имеют схожие принципиаль-
ные схемы управления, позволяющие ступенчато регулировать потреб-
ляемую мощность нагревательными элементами, а следовательно, и теп-
ловую производительность установки. В качестве элементов, контроли-
рующих температуру помещений, используют биметаллические датчики
типа ДТКБ-53. Схемой предусмотрено отключение нагревательных эле-
ментов при достижении ими температуры выше 180 °C с остановкой дви-
гателя вентилятора. Для контроля за температурой тэнов устанавливают
биметаллические датчики типа ТР-200 или другого типа с аналогичными
характеристиками.
В электрокалориферной установке СФОЦ модификации И1 для сту-
пенчатого регулирования мощности нагревательных элементов использу-
ют два электронных регулятора типа ТЭЗП и ТЭ4П. В установке СФОЦ
модификации ИЗ применяют двухскоростной электродвигатель привода
вентилятора для регулирования подачи воздуха в помещения для содер-
жания животных и птицы, что существенно повышает эффективность
эксплуатации данного типа электрокалорифера. Более того, в данной ус-
тановке для регулирования потребляемой мощности из сети используют
электронный регулятор напряжения, собранный на тиристорах.
Принципиальная электрическая схема электрокалориферной уста-
новки типа СФОЦ-ИЗ представлена на рис. 19.2. Схема включает в себя
следующие элементы и блоки: блок UZ1, который имеет автоматический
выключатель QF; плату AZ\ управления; трехфазный силовой ключ AZ2,
выполненный на гибридных модулях, содержащих диод-оптронный ти-
ристор, сигнальную лампу, предохранитель FU, защитные цепи
RAC1—R6C6 электрокалорифера и электродвигателя вентилятора; плату
AZ\, предназначенную для управления тиристорным ключом, отклю-
чающую автоматический выключатель QF по сигналам датчиков, уста-
новленных в силовой цепи, при возникновении аварийных ситуаций.
В блок UZ3 входят датчики температуры и базового сигнала,
обеспечивающие минимальную теплопроизводительность электрока-
лорифера. В блоке предусмотрена световая сигнализация о режимах
работы установки регулирования температуры воздуха в отапливаемом
помещении для содержания животных (птицы): «Жарко», «Норма»,
334
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
«Холод». Входной сигнал формируется одним термопреобразователем
ВК5 или четырьмя термопреобразователями ВКЛ—ВКА, усредняющими
температуру в отапливаемом помещении.
Блок UZ2 предназначен для ступенчатого изменения скорости
вращения электродвигателя М привода вентилятора. Режим работы —
ручной или автоматический — устанавливают переключателем ISI.
В ручном режиме при помощи кнопок SB1, SB2 и магнитных пускате-
лей выбирают требуемую скорость вращения вентилятора. В автома-
тическом режиме скорость вращения вентилятора регулируется в зави-
симости от температуры наружного воздуха, контролируемой термо-
метром ВК2.
380/220 В, 50 Гц
ВКЗ
RK5
В
о 6 6
нт л
R6
41
о 6 6
QF
R5
UZI
А1
В1
С1
„1о зо зо «Жарко»
 .Д <4.0,	(g)
«Норма»
® о
ВК4
Г °C
50
40 —
30 —
20 —
10-Ж2
о—1
Базовый сигнал
вз сз
э о
Производительность
1-я скорость
UZ2 АЗ
-о
HL3
SB1
Управление
Руч, Авт,
, SA1
В1 С1
VS1...VS3
Вк1
N
£
HL2
SB2
А2
в?
2-я скорость
СТОП

Рис. 19.2. Принципиальная схема электрокалориферной установки СФОЦ-ИЗ:
UZ1—UZ3 — блоки управления; AZ\ - плата управления; AZ2 — трехфазный
тиристорный ключ ; АК - нагревательное устройство электрокалорифера;
R\C\R6C6 - защитные цепочки; VS1-VS3 - оптронные тиристоры;
VD1-VD3 ~ диоды; HLX HL3 — сигнальные лампы; SB1SB3 - нажимные
выключатели; SA 1 — тумблер переключения режима управления; М- элек-
тродвигатель привода вентилятора; ВКЛ-ВКА — датчики температуры;
RKA—RK5 — преобразователи сопротивления; ЕКА-ЕКЗ - нагревательные
элементы
335
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Вид А
Рис. 19.3. Электрокалориферная установка СФОО: 1 - вентилятор; 2 - кало-
рифер; 3 - трубчатый оребренный электронагреватель
Электрокалориферные установки СФОЦ-И4 имеют нерегулируе-
мый электропривод вентилятора, схема управления изменяет только
мощность электрокалорифера в зависимости от температуры в отапли-
ваемом помещении.
Электрокалориферные установки типа СФОО выпускают с ореб-
ренными тэнами, оборудованными осевыми вентиляторами (рис. 19.3).
Калорифер 2 состоит из шести оребренных тэнов 3, расположенных
в один вертикальный ряд и смонтированных на нагнетающем патрубке
вентилятора 1. Максимальная температура воздуха на выходе — 40 °C.
Электрокалориферные установки типа СФОО применяют в том случае,
когда возникает необходимость повышенной вентиляции при сравни-
тельно низкой температуре (4—12 °C) воздуха в помещении.
Комплектное оборудование типа ПВУ предназначено для автома-
тизированных приточно-вытяжных систем вентиляции и воздушного
отопления различных помещений сельскохозяйственного назначения,
в которых допускается частичная рециркуляция воздуха, удаляемого из
помещения.
Приточно-вытяжная установка ПВУ (рис. 19.4) состоит из двух
концентрически расположенных металлических цилиндров с зазором
между ними и осевого вентилятора 4 специальной конструкции, нахо-
дящегося внутри установки. Лопасти вентилятора смонтированы таким
образом, что по внутреннему цилиндру воздух движется вверх и вытяж-
кой удаляется из помещения, а по зазору между цилиндрами воздух
движется вниз, осуществляя приток наружного воздуха в помещение.
Тэны 2, смонтированные в зазоре между цилиндрами, при необходи-
мости подогревают приточный воздух. Размер выходных отверстий
и направление движения потока можно менять.
336
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Рис. 19.4. Приточно-вытяжная установка: 1 - приточные насадки; 2 - элек-
тронагревательные элементы; 3 - вентиляторная секция; 4 - вентилятор;
5 - рециркуляционные заслонки; 6 - электропривод заслонок; 7 - секция ре-
циркуляционных заслонок; 8 — промежуточная секция; 9 — зонт
Недостатком отопительно-вентиляционных установок такого типа
является то, что потребление электроэнергии осуществляется по сво-
бодному графику, т. е. в любое время суток, в том числе в часы макси-
мума электрических нагрузок. Кроме того, они не допускают перерывов
в электроснабжении на длительное время.
19.3.	Установки местного обогрева
В зоне нахождения молодняка животных и птицы применяют ме-
стный обогрев, обеспечивающий повышенную температуру и понижен-
ные влажность и концентрацию вредных газов по сравнению с осталь-
ным объемом помещения.
В зависимости от способа передачи тепла от устройства местного
электрообогрева к животным и птице различают установки лучистого
337
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
(инфракрасного), контактного, конвекторного, комбинированного обог-
рева и радиационные электронагреватели.
Установки лучистого обогрева. В таких установках используют
светлые и темные инфракрасные излучатели - электрические лампы
и нагревательные элементы. Их рабочая температура - 300-500 °C, при
этом большая часть теплоты от них отводится конвективно с потоком
нагретого воздуха. Данные излучатели характеризуются высокой на-
дежностью и механической прочностью. Они менее чувствительны
к колебаниям напряжения. В качестве темных источников наиболее
распространены тэны и керамические излучатели [2, 24, 25].
Устройства лучистого обогрева молодняка животных и птицы,
имеющие зонтичную конструкцию корпуса, внутри которого размеще-
ны источники инфракрасного излучения, называют брудерами.
Брудеры БП-1 и БП-1А предназначены для местного обогрева мо-
лодняка птицы. Источниками тепла служат четыре тэна общей мощно-
стью 1 кВт. Для поддержания требуемого температурного режима
22—35 °C в брудере БП-1 применяют двухпозиционное тепловое мано-
метрическое реле, а в брудере БП-1 А — двухпозиционный тиристорный
регулятор температуры.
Брудеры ОКБ-1376, используемые для обогрева молодняка животных
и птицы, имеют три тэна общей мощностью 1,2 кВт. Ступенчатое управ-
ление мощностью осуществляется вручную при помощи выключателей.
Инфракрасный электрообогреватель ЭИС-0,25-И1 (рис. 19.5) пред-
назначен для локального обогрева животных.
Рис. 19.5. Электрообогреватель ЭИС-0,25-И1:1 — корпус; 2 — теплоизоляция;
3 — цоколь; 4 — изолятор; 5 — нагреватель; 6 - отражатель; 7 — решетка
338
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Металлический корпус 1, снабженный теплоизоляцией 2, соединен-
ной с цоколем 3 изолятором 4, позволяет использовать его совместно
с облучателями ССП-01-250, «Астра» и др. Внутри корпуса 1 находится
нагреватель 5, представляющий собой керамическую плиту, в которую
замурована проволочная спираль. Ее инфракрасное излучение концентри-
руется отражателем 6, а решетка 7 защищает животных и птицу от каса-
ния к раскаленной керамической плитке. Мощность нагревателя - 250 Вт
при напряжении 220 В. Среднее превышение эффективной температуры
над температурой окружающей среды на уровне пола в зоне обогрева
площадью 0,7 м при высоте подвеса 0,6 м составляет не менее 8 °C.
Установки контактного электрообогрева. К таковым относятся
электрообогревательные полы, коврики и панели. При устройстве элек-
трообогреваемого пола уплотняют грунт 7 (рис. 19.6, а), для выравнива-
ния на него насыпают слой песка 4 толщиной 15-20 мм, а затем уклады-
вают гидроизоляцию 6 в виде листов толя или полиэтиленовой пленки
в один-два слоя. Поверх гидроизоляции насыпают слой песка, на кото-
ром размещают тепловую изоляцию 5 (котельный шлак или керамзит)
толщиной 80—150 мм. Изоляцию 5 уплотняют и присыпают песком, по-
сле чего укладывают бетон 1. В слое бетона на глубине 4—6 см прокла-
дывают нагревательные элементы 3 из проводов марки ПОСХВ,
ПОСХП, ПНВСВ и др. При питании сетевым напряжением на глубине
2 см от поверхности над проводами закладывают стальную сетку 2, со-
единенную с нулевым проводом питающей сети. Сетка защищает на-
гревательный провод от повреждений в случае разрушения бетонного
покрытия, а также служит для выравнивания потенциалов, защищая жи-
вотных от шагового напряжения.
При использовании нагревательных элементов из стальной неизоли-
рованной проволоки диаметром 4-6 мм применяют пониженное (до 60 В)
напряжение питания, что обеспечивает безопасность животных и людей
без защитной сетки. Применение напряжения 60 В требует наличия пони-
жающего трансформатора.
Конструктивное выполнение нагревательных элементов полов оп-
ределяется назначением помещения. В свинарниках-маточниках обог-
реваемый пол выполняют в виде сплошной полосы шириной 1,2-1,7 м,
проходящей под станками одного ряда со стороны противоположной
кормушкам. Все станки делят на секции с самостоятельным управлени-
ем температурным режимом в зависимости от возраста поросят, и пол
в этих секциях подогревают отдельными нагревательными элементами.
339
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Рис. 19.6. Конструкция электрообогревательного пола (а), схема укладки на-
гревательного провода в свинарнике-маточнике (б) и схема управления тем-
пературным режимом (в): 1 - бетон; 2 — сетка-экран; 3 — нагревательный
прибор; 4 - песок; 5 - теплоизоляция; б - гидроизоляция; 7 - грунт;
8-10,12 — площадки для отдыха поросят и кормления свиноматок;
11 — распределительная коробка
в
340
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Нагревательный провод укладывают зигзагообразно по длине по-
лос. Необходимая температура поверхности пола для поросят составля-
ет 25—30 °C, для свиноматок - 18-20 °C, поэтому в местах расположе-
ния поросят шаг укладки проводов меньше, чем в зоне нахождения сви-
номатки (рис. 19.6, б).
В коровниках электрообогреваемые полы занимают всю площадь
стойл, шириной до 0,6 м в каждом ряду. При выращивании бройлеров
электрообогреваемые полы монтируют по всей площади помещения или
сооружают электрообогреваемую полосу вдоль помещения по его центру.
Для автоматического управления температурным режимом элек-
трообогреваемого пола применяют двухпозиционные регуляторы, дат-
чики которых встраивают в массив пола между нагревательными про-
водами. Принципиальная электрическая схема управления температур-
ным режимом секции обогреваемого пола представлена на рис. 19.6, в.
Электрообогревательные полы характеризуются хорошей тепло-
аккумулирующей способностью, что делает возможным их работу по
принудительному режиму в часы минимальной загрузки систем элек-
троснабжения, а также бесподстилочное содержание животных.
Кроме электрообогреваемых полов, которые выполняют при
строительстве новых и реконструкции существующих животноводче-
ских помещений, широко применяют съемные электрообогреваемые
коврики и плиты. Их укладывают на бетонный или деревянный пол.
Коврики изготавливают из двух слоев листовой резины площадью
0,6-0,8 м, между которыми укладывают нагревательный провод. Плиты
представляют собой плоскую конструкцию той же площадью, образо-
ванную металлическим каркасом, залитую бетоном с вмонтированным
внутри каркаса проволочным нагревательным элементом. Мощность
нагревательных элементов - 150-200 Вт. Чтобы обеспечить электро-
безопасность, используют пониженное напряжение питания.
Основное преимущество плит и ковриков - удобство монтажа
и эксплуатации, позволяющее применять их не только во вновь строя-
щихся, но и, без значительных затрат, в существующих животноводче-
ских и птицеводческих помещениях.
Конвекторные средства местного электрообогрева. К таким
средствам относятся электрообогревательные панели, электроконвекто-
ры и электрические калориферы малой мощности.
Обогревательные панели, конструктивно незначительно отличаю-
щиеся от обогревательных плит и ковриков, используют для отопления
341
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
производственных, вспомогательных и бытовых помещений животно-
водческих и птицеводческих объектов. Их устанавливают вертикально
вблизи зоны нахождения молодняка на расстоянии 5-10 см от стен по-
мещения.
Мощность электроконвекторов сельскохозяйственного назначе-
ния типа ЭОКС составляет 2 или 6 кВт. Они снабжены устройствами
для автоматического и ручного управления температурным режимом
в помещениях. Нагревательными элементами в конвекторах являются
тэны, помещенные в общий оребренный корпус с развитой теплоот-
дающей поверхностью.
Небольшие вспомогательные и бытовые помещения можно обогреть
электрорадиаторами. В них теплота от трубчатого нагревательного эле-
мента передается корпусу промежуточным теплоносителем - минераль-
ным маслом, которым заполнена нижняя часть полого корпуса. Нагрев
и последующее охлаждение масла вызывают его циркуляцию и, следова-
тельно, нагрев всей поверхности радиатора, через которую теплота пере-
дается в окружающую среду. Мощность электрорадиаторов составляет
0,5—1,25 кВт, напряжение их питания - 220 В. Они снабжены терморегу-
лятором, изменяющим температуру нагрева теплоотдающей поверхно-
сти, максимальное значение которой 7"тах = 90 °C, а также лампочкой,
сигнализирующей о включении нагревательного элемента, и устройст-
вом аварийного отключения при температуре корпуса 130 °C.
Если для местного обогрева используют электрические калорифе-
ры небольшой мощности, то их устанавливают в производственном по-
мещении таким образом, чтобы поток теплого воздуха направлялся
в зону нахождения животных и птицы. Электрокалориферный местный
обогрев применяют также для создания тепловых завес, препятствую-
щих проникновению холодного наружного воздуха в помещение, где
содержатся животные и птица, при открытии ворот.
Комбинированный электрообогрев. При таком способе обогрева
теплопередача животным и птице происходит одновременно излучени-
ем, контактно и конвекторно. В этом случае систему стремятся выпол-
нить таким образом, чтобы животных обогревать и снизу (устройства
контактного обогрева), и сверху (устройства лучистого и конвекторного
обогрева). Это способствует снижению простудных заболеваний мо-
лодняка.
Установка ЭИС-11-И1 для местного комбинированного электро-
обогрева обеспечивает оптимальный температурный режим в зоне
342
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
размещения поросят-сосунков в свинарниках-маточниках, отапливае-
мых системой общего обогрева, если температура воздуха в помещении
не ниже 14 °C.
Установка состоит из 30 электрообогревательных устройств и об-
щего для них пульта управления. Каждое обогревательное устройство
(рис. 19.7) включает в себя инфракрасный электрообогреватель 1 типа
ЭИС-0,25-И1, нагревательную панель 4 размером 120x62 см, мощно-
стью 120 Вт, конструктивно объединенные при помощи кронштейна 3
с клеммной коробкой 2. В зоне нахождения поросят установка создает
среднее превышение эффективной температуры над температурой ок-
ружающей среды не менее 16 °C, обеспечивая благоприятные темпера-
турные условия (около 30 °C) для животных разных возрастных групп.
Общая мощность установки - 11-15 кВт, напряжение питания -
380/220 В.
Установка ЭИС-0,37-И1, предназначенная для местного обогрева
15 ягнят, содержит инфракрасный обогреватель ИЭИС-0,25-И1 и панель
контактного обогрева размером 110x110 см, мощностью 120 Вт. При
температуре в помещении 5 °C установка обеспечивает ягнятам ком-
фортные условия с ощущаемой температурой 15 °C.
Рис. 19.7. Установка ЭИС-11-И1: 1 — электрообогреватель; 2 — клеммная ко-
робка; 3 - кронштейн; 4 - нагревательная панель
343
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Рис. 19.8. Электрическая схема управления установками местного комбини-
рованного обогрева
344
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Принципиальная электрическая схема управления установками
местного комбинированного обогрева приведена на рис. 19.8. Ручной
или автоматический режим работы схемы устанавливается переключа-
телями SA1 и SA2. В ручном режиме электрообогреватели включаются
кнопками SB3 и SB5, а выключаются кнопками SB2 и SB4.
В автоматическом режиме обогреватели начинают работать от
сигнала двухпозиционных регуляторов температуры UK1 и UK2 типа
Т419, датчики которых воспринимают тепловой поток инфракрасного
обогревателя (BKV) и температуру обогревательной панели (ВК2).
Обогреватели могут включаться независимо один от другого в любом
режиме. Дифференциальное реле AF1 (РУД-0,5) отключает установку
при появлении потенциала на ее элементах.
Благодаря использованию устройств местного обогрева, рабо-
тающих в автоматическом режиме, можно значительно снизить энерге-
тические затраты на обогрев помещений животноводческих и птице-
водческих хозяйств.
Радиационные электронагреватели широко применяются в раз-
личных отраслях промышленного производства и сельского хозяйства.
Их работа основана на передаче тепловой энергии в виде инфракрасно-
го излучения. Инфракрасные лучи, достигнув поверхности нагреваемо-
го тела, поглощаются им, а их доставленная энергия превращается в те-
пловую. Глубина проникновения излучения и степень нагрева зависят
от длины волны А, и физических свойств тела.
Кратко рассмотрим типы радиационных излучателей.
Светлый ламповый излучатель состоит из лампы накаливания
с вольфрамовой нитью и стеклянной колбой, нижняя часть которой
имеет зеркальное покрытие для обеспечения направленного излучения.
Температура вольфрамовой спирали составляет около 2 200 К. Макси-
мум излучения наблюдается при X = 1,3 мкм. Основная же часть излу-
чения энергии находится в диапазоне длин волн от 0,8 до 3,5 мкм.
Светлый кварцевый излучатель состоит из трубки, изготовлен-
ной из кварцевого стекла, внутрь которой помещают спираль из ни-
хрома или вольфрама. Он отличается от лампового излучателя более
длительным сроком службы и меньшими габаритами при одинаковой
мощности, что позволяет увеличить плотность излучаемого потока до
50—60 кВт/м2.
Темный излучатель представляет собой обыкновенный тэн, раз-
мещенный в фокусе полированного отражателя. Рабочая температура
345
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
на поверхности излучателя достигает 1 000 К, а максимум излучателя
находится в диапазоне длин волн от 2 до 5 мкм.
Электрические сушила (установки для сушки) различных мате-
риалов и изделий бывают радиационного действия или смешанного,
т. е. конвекторно-радиационного. При конвекторном нагреве применя-
ют калориферы различных конструкций. Размещение их возможно как
внутри помещения, так и снаружи. Поступление горячего воздуха в этих
случаях осуществляется через трубы.
В панелях-излучателях в качестве нагревательных элементов ис-
пользуют, как правило, трубчатые нагреватели, лампы различных кон-
струкций, кварцевые излучатели, а в некоторых случаях и открытые
нагреватели в виде спиралей. Важным элементом панелей является от-
ражающий экран, находящийся за источником теплового излучения,
который обеспечивает направленное движение теплового потока в сто-
рону нагреваемого изделия. Для уменьшения потерь тепла тыльную
сторону панели покрывают теплоизоляционным материалом, например
асбестом. С целью поддержания заданной температуры, электрическая
схема панели-излучателя предусматривает два режима: постоянный
и регулируемый (ручной и автоматический).
19.4.	Эксплуатация электротермического оборудования
для создания микроклимата
При разработке электротермических установок и устройств, предна-
значенных для создания микроклимата, необходимо строго выполнять пра-
вила электро- и противопожарной безопасности. Техническое обслужива-
ние таких установок и устройств проводят электромонтеры, имеющие по
технике безопасности квалификационную группу не ниже третьей [22].
Техническое обслуживание электрокалориферных установок ото-
пительно-вентиляционных систем включает в себя проверку температу-
ры на выходе электрокалорифера и в отапливаемом помещении. Темпе-
ратура воздуха на выходе из электрокалорифера не должна превышать
50 °C, а температура воздуха в помещении должна соответствовать за-
данному значению. В отключенном калорифере проверяют надежность
контактов и целостность тэнов. Чтобы обеспечить электробезопасность,
корпус электрокалориферной установки присоединяют к нулевому про-
воду питающей электросети. Металлические воздуховоды, с которыми
346
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
возможно соприкосновение людей и животных, также подключают
к нулевому проводу и соединяют с другими металлоконструкциями
и технологическим оборудованием, расположенным в помещении, или
с устройством выравнивания электрических потенциалов.
Особое внимание обеспечению электробезопасности уделяют в жи-
вотноводческих помещениях с электрообогреваемыми полами, так как по-
вреждение нагревательных проводов может привести к массовому пораже-
нию обслуживающего персонала и животных электрическим током. В по-
мещениях с электрообогреваемыми полами при питании нагревательных
элементов напряжением 380/220 В для выравнивания электрических по-
тенциалов применяют металлическую экранирующую сетку, монтируе-
мую над нагревателями на расстоянии не менее 30-40 мм от поверхности
пола, а также стальные проводники, прокладываемые вдоль проходов.
Число проводников зависит от ширины прохода. Расстояние между про-
водниками в проходе, а также между экранирующей сеткой и продольны-
ми проводниками не должно превышать 1,2 м в помещениях для крупного
рогатого скота и 0,8 м в помещениях для свиней. Продольные потенциа-
ловыравнивающие проводники соединяются сваркой с экранирующей
сеткой, между собой, с заземляющим проводником, металлоконструкция-
ми зданий и технологическим оборудованием. Сопротивление постоянно-
му току петли, образованной между двумя потенциаловыравнивающими
проводниками, должно быть не более 1 Ом. Потенциаловыравнивающие
проводники изготавливают из стальной проволоки диаметром не менее
6 мм, а экранирующую сетку — из проволоки диаметром не менее 3 мм.
В процессе эксплуатации электрообогреваемых полов контроли-
руют устройства выравнивания потенциала и шаговое напряжение
прикосновения, возникающее при нормальных и аварийных режимах.
При эксплуатации средств местного электрообогрева проверяют со-
стояние контактных соединений, работу терморегуляторов, надежность
присоединения нулевого провода. Высоту подвеса устройств лучистого
обогрева регулируют при отключении питающей сети.
> Для успешного ведения животноводческого и птицеводческо-
го хозяйства на промышленной основе одним из главных факторов яв-
ляется микроклимат в помещениях для содержания животных и птицы.
Оптимальные температурные параметры помещений для животных
и птицы, как правило, создаются электроотопительными системами об-
щего, местного и комбинированного обогрева. При этом применяются
электрокалориферные установки двойного назначения - для вентиляции
347
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
и отопления. В зоне нахождения молодняка животных и птицы применя-
ют местный обогрев - это установки лучистого обогрева: светлые и тем-
ные инфракрасные излучатели, электрические лампы и нагревательные
элементы. Нередко в помещениях устанавливают электрообогревательные
полы, которые отличаются хорошей теплоаккумулирующей способностью
и удобством в эксплуатации. Наряду с этими средствами электрообогрева
местного назначения применяют электрообогревательные панели, элек-
троконвекторы и электрические калориферы малой мощности.
Не менее важную роль играет электроэнергия и в растениеводстве.
В первую очередь это относится к сооружениям защищенного грунта.
О применении электричества в них и пойдет речь в следующей главе.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. На свиноферме 50 кабанов, свиней - в 3 раза больше.
Определить мощность системы электроотопления, если известно: теп-
ловой поток, выделяемый одним животным, Ф1 = 10 Вт; тепловой поток
потерь через ограждения Фогр = 800 Вт; тепловой поток потерь с венти-
ляцией Фв = 2 000 Вт; тепловой поток потерь на испарение влаги с раз-
личных поверхностей Фи = 1 250 Вт. Коэффициент полезного действия,
учитывающий потери теплоты в системе отопления, цт = 0,95.
Решение. Поголовье
П = 50+ (3-50) = 200.
Тепловой поток, выделяемый животными, Вт,
Ф =ПФ, =200 10 = 2 000.
Тепловой поток системы электроотопления, Вт,
ф = фогр + Фв + Фи - Фж = 800 + 2 000 + 1 250 - 2 000 = 2 050.
Мощность системы электроотопления, Вт,
Ро = Ф/Пт = 2 050/0,95 = 2 158.
Ответ: Ро = 2 158 Вт.
348
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птицеводческих комплексах
Пример 2. Чему равен общий поток тепловых потерь через строи-
тельные ограждения, если известно: удельный тепловой поток потерь
Фуд = 5 Вт/(м ♦ °C); строительный объем здания V= 300 м3; /в и /н _ рас-
четные температуры внутри помещения и наружного воздуха равны со-
ответственно 25 и минус 15 °C?
Решение. Общий поток тепловых потерь через строительные ог-
раждения, кВт,
Фогр Фуд^(/в ^н),
Фогр=5-300-(21-(-15)) = 60.
Ответ'. Фогр = 60 кВт.
Задачи
1.	Длина одного из помещений птицефабрики - 50 м, ширина - 25 м,
высота -15 м. Температура воздуха внутри здания - 293 К, наружного
воздуха - 274 К. Определить поток тепловых потерь через стены помеще-
ния (ограждение) Фогр, если известно, что удельный тепловой поток по-
терь Фуд = 3 Вт/(м • °C).
2.	В коровнике находится 45 коров, каждое животное выделяет 7 Вт
тепла. Тепловой КПД г|т = 0,92, мощность системы электроотопления
Ро = 1 900 Вт. Определить суммарный тепловой поток потерь.
3.	Чему равен тепловой поток, выделяемый одним животным, если
тепловой поток, выделяемый всеми животными в помещении, Фж = 250 Вт,
количество животных П = 5?
4.	Мощность системы электроотопления Ро = 5 кВт, тепловой
КПД, учитывающий потери теплоты в системе отопления, г|т = 0,92.
Какова величина теплового потока системы отопления?
5.	Тепловой поток системы электроотопления Ф = 10 кВт, сум-
марный тепловой поток Фт 0 =11 кВт. Чему равен тепловой поток жи-
вотных?
Вопросы для самопроверки
1.	Чем опасно снижение либо повышение оптимальной температу-
ры в помещениях для содержания крупного рогатого скота?
2.	Какой должна быть относительная влажность воздуха в поме-
щениях птицефабрик?
349
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
3.	При использовании каких обогревателей тепловой КПД прини-
мают равным 0,95?
4.	Каково максимальное число нагревательных элементов в элек-
трокалориферной установке типа СФОЦ?
5.	Какая световая сигнализация предусмотрена в электрокалори-
ферной установке типа СФОА?
350
Глава 20. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ В СООРУЖЕНИЯХ
ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА
20.1.	Электрический обогрев сооружений
защищенного грунта
К сооружениям защищенного грунта, т. е. к культивационным по-
мещениям, относят теплицы, парники и малогабаритные укрытия. В за-
висимости от конструктивных особенностей, теплицы бывают зимние
и весенние. Основным требованием к сооружениям защищенного грун-
та является микроклимат - температура воздуха и почвы, а также влаж-
ность того и другого. Рекомендуемая температура воздуха при выращи-
вании рассады для открытого грунта для отдельных видов растений
в зависимости от их возраста представлена в табл. 20.1 [10, 11,31].
Температура почвы имеет не менее важное значение, чем темпера-
тура воздуха. Установлено, что перепад между температурами почвы
и воздуха должен находиться в пределах от 3 до 5 °C, причем в дневное
время суток температура воздуха должна быть больше, чем температура
почвы, а ночью наоборот.
Таблица 20.1
Оптимальные режимы температуры почвы и воздуха
при выращивании рассады для открытого грунта
Культура	Температу- ра почвы от посева до появле- ния всхо- дов, °C	Температура воздуха, °C				
		4-7 дней после появления всходов		в последующий период до закалки рассады		
		днем	НОЧЬЮ	в сол- неч- ный день	в пас- мур- ный день	НОЧЬЮ
Капуста белокочанная, брюссельская, савой- ская, краснокочанная	18-20	8-10	7-9	15-18	13-15	7-9
Капуста цветная	20-22	10-12	7-9	16-18	14-16	7-9
Томат	23-25	13-15	8-10	21-23	17-19	10-12
Перец, баклажан	26-28	14-16	8-10	25-27	18-20	13-15
Огурец, кабачок	25-28	15-17	12-14	19-20	17-19	14-16
Лук порей, сельдерей	20-22	13-16	8-10	18-20	16-18	8-10
351
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Электрический обогрев зимне-весенних сооружений применяют
ограниченно из-за больших потерь тепла через каркас и существенных
затрат на электроэнергию. Как правило, электрообогрев применяют
в качестве аварийного обогрева при отключении теплосети или чрезвы-
чайном снижении наружной температуры. На практике чаще применя-
ют комбинированный обогрев весенних теплиц от котельных и электро-
термических устройств, которые позволяют относительно просто и точ-
но поддерживать необходимую температуру как воздуха, так и почвы,
обеспечивая при этом минимальные энергетические затраты.
20.2.	Электрообогрев почвы и воздуха
В сооружениях защищенного грунта применяют как прямой, так
и косвенный нагрев. Для нагрева воздуха используют только косвенный
нагрев: это чаще всего электрокалориферы или электротепловентилято-
ры разных модификаций. Для обогрева почвы применяют как прямой
(за счет электрического сопротивления), так и косвенный индукцион-
ный нагрев. Для прямого и для косвенного нагрева используют сталь-
ную неизолированную оцинкованную проволоку диаметром 2-6 мм, на-
гревательные провода ПОСП, ПОСХВ, ПОСХВТ, ПНВСВ, а также спе-
циальные кабели [2].
При нагреве почвы при помощи стальной изолированной проволо-
ки ее размещают в асбоцементных или керамических трубах диаметром
100-150 мм, которые укладывают в песке под слоем почвы (рис. 20.1).
При обогреве воздуха такие нагреватели монтируют вдоль паруб-
ней на крюках. Нагреватели нескольких парников, с целью подключе-
ния их к питающей сети напряжением 220-380 В, соединяют последо-
вательно, исходя из расчета удельной мощности 80-100 Вт/м.
Иногда используют для нагрева и трубчатые электрические нагре-
ватели (тэны), но их применение ограничено малым сроком службы
(2-3 сезона) и дополнительной потерей полезной площади (до 20 %).
Нагревательные элементы из стальной изолированной проволоки
могут выполняться и без труб. При таком способе берут проволоку диа-
метром 4-7 мм, укладывают параллельными нитями вдоль конструкции
в слое песка толщиной 100-150 мм, находящегося под слоем почвы.
Прослойка песка обеспечивает равномерный нагрев и хорошую теплоот-
дачу. Удельную мощность нагревательных элементов берут из расчета
352
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного грунта
15-25 Вт/м при питающем напряжении от 12 до 60 В. Температура про-
волоки при этом не должна превышать 40 °C, чтобы исключить пере-
грев или высушивание почвы. Данный способ отличается простотой
конструкции, высокой надежностью, долговечностью и равномерным
нагревом почвы.
Рис. 20.1. Устройство электропарника с почвенным обогревом трубчатыми
нагревательными элементами по типовому проекту № 810-28: 1 — болт стяж-
ной; 2 - парубни; 3 — фундаментная тумбочка; 4 - трубы почвенного обогре-
ва; 5 - крышка; 6 - монтажный приямок; 7 - коробка У-79
353
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Рис. 20.2. Теплица индивидуального пользования с обогревом почвы и воз-
духа при помощи калориферов: 1 — асбоцементные трубы; 2 — деревянный
каркас; 3 - опорные фундаментные столбики; 4 - цоколь; 5 - дверь; 6 - ото-
пительная печь; 7 — жилое помещение; 8 — вентилятор; 9 - бортик
Применение нагревательных проводов и кабелей предусматривает
аналогичные требования к монтажу и эксплуатации. Расстояние между
проводами рассчитывают таким образом, чтобы неравномерность тем-
пературы поверхности почвы не превышала 3—5 °C. Для защиты уло-
женного провода от повреждений его заливают цементно-песочной сме-
сью (1:10) слоем толщиной 4-5 см. Кроме этого возможно применение
и другого варианта: над уложенным проводом на расстоянии 50 мм ук-
ладывают металлическую сетку с ячейками 50x50 мм. Сетку присоеди-
няют к нулевому проводу, а проволоку - к фазе. Питание можно осуще-
ствлять на напряжение как 220, так и 380 В.
Применение нагревательного провода наиболее распространено
при нагреве почвы в сооружениях защищенного грунта из-за его про-
стоты, надежности и экономичности. В качестве недостатка следует от-
метить сложность замены нагревательного элемента.
В весенних теплицах, парниках и песочных укрытиях обогрев поч-
вы и воздуха осуществляют при помощи калориферов. Подогрев почвы
ведется по системе воздуховодов, уложенных в землю ниже гумусного
слоя на 50-100 мм. Воздуховоды изготавливаются из керамических или
асбоцементных труб. По торцам трубы сообщаются с воздухопровода-
ми, смонтированными по всему периметру сооружения, как показано
на рис. 20.2. Электрокалориферы для нагрева воздуха, как правило,
354
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного грунта
размещают в отдельных помещениях. Данный способ обогрева прост
и безопасен в эксплуатации и легко может быть автоматизирован.
Мощность электрокалориферной установки при воздушном обог-
реве сооружения рассчитывается в каждом конкретном случае с учетом
климатических условий и конструктивных особенностей сооружения по
формуле
P = kF(t2-tl),	(20.1)
где Р - мощность системы обогрева, Вт; к - коэффициент теплоотдачи
через ограждение, Вт/(м2 • °C); F - площадь поверхности ограждения,
м2; — температура воздуха в сооружении, °C; t2 - расчетная температу-
ра наружного воздуха, °C.
Коэффициент теплопередачи к, приведенный к единице площади
поверхности защищенного сооружения и к температурному перепаду
(Г2 - 6), учитывает передачу тепла в почву и через ограждения сооруже-
ния наружному воздуху. При расчете коэффициент теплопередачи на-
ружного воздуха для данного климатического района берут таким, при
котором сооружение имеет наибольшие потери теплоты.
Мощность системы обогрева можно определить по формуле
Р = pF,	(20.2)
где р - удельная поверхностная мощность обогрева, Вт/м2.
При расчетах для парников и малогабаритных укрытий в зависимо-
сти от климатического района значение р берут в пределах 150—200 Вт/м2.
Соотношение мощностей почвенного и воздушного обогрева для парни-
ков и малогабаритных укрытий берут 1: (1—2), а для теплиц - 1: (2—3).
Для обеспечения оптимального температурного режима почвы,
воздуха (в зависимости от выращиваемых растений) и экономии элек-
троэнергии широко применяется комплектное устройство КЭПТ. Оно
позволяет не только поддерживать температуру в заданных пределах, но
и осуществлять полив и увлажнять воздух. Принципиальная схема уст-
ройства КЭПТ представлена на рис. 20.3. Мощностью почвенных на-
гревательных элементов ЕК\~ЕКЗ управляют тиристоры VS1-VS6,
коммутацию которых осуществляют с помощью реле KVX-KV3. Реле
KV\ включается контактами UK1 двухпозиционного регулятора темпе-
ратуры. Реле времени КТ1 в зависимости от положения переключателя
SA4, изменяя соотношение времени включенного и отключенного со-
стояния, выполняет две программы работы, обеспечивающие 50 и 25 %
мощности нагревательных элементов.
355
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
л BCN
Рис. 20.3. Принципиальная схема управления почвенными
нагревательными элементами устройства КЭПТ
Снятие сигнала «Авария», контроль утечки тока	
Вклю- чение	При утечках
	При входе в теплицу
Авария	
Автоматический режим работы	
Программное реле времени	
Ступень 0,5Рн	
Ступень 0,25Рн	
Регулятор температуры	
Датчик температуры	
356
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного грунта
Реле времени КТ\ работает по заданной программе. При токах
утечки более 100 мА срабатывает защитное устройство AF, отклю-
чающее систему обогрева при помощи автоматического выключате-
ля QF1.
Устройство КЭПТ имеет световую сигнализацию наличия напря-
жения на нагревательных элементах. Переключатель All и вольтметр
PV1 сигнализируют об исправности нагревательных элементов при за-
крытых тиристорах FS1-KS6. Кроме этого в устройстве предусмотрен
как ручной, так и автоматизированный режим работы.
20.3.	Правила технической эксплуатации
электротермических устройств в теплицах и парниках
Согласно Правилам технической эксплуатации (ПТЭ) техническое
обслуживание электротермических устройств в тепличных сооружениях
или парниках проводят раз в три месяца их непрерывной работы, а те-
кущий осмотр и ремонт - один раз в год, как правило, осенью, до на-
ступления устойчивых холодов и замерзания почвы. Ремонтные работы
и техническое обслуживание электрооборудования и токопроводящих
сетей должно выполняться при снятом напряжении обслуживающим
персоналом, имеющим II группу допуска.
При техническом обслуживании необходимо проверить:
а)	равномерность прогрева почвы согласно агротехническим тре-
бованиям;
б)	надежность контактных соединений, обеспечивающих подклю-
чение нагревательных элементов к сети (величина переходного сопро-
тивления контактных соединений не должна превышать 0,1 Ом);
в)	измерить сопротивление изоляции нагревательных элементов —
проводов и кабелей (оно должно быть не менее 0,5 МОм);
г)	проверить на надежность присоединения к нулевому проводу
все металлические кожухи, сетки и корпуса электрооборудования.
Во всех хозяйствах, использующих электротермические установки
обогрева как воздуха, так и почвы в теплицах или парниках, должны
быть разработаны и утверждены главным энергетиком инструкции по
эксплуатации электрооборудования, определяющие права, обязанности
и ответственность обслуживающего персонала, а также порядок и сроки
технических осмотров и ремонтов оборудования.
357
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
Парники с электрообогревом бывают двух категорий - А и Б, в за-
висимости от типов нагревательных элементов, используемых для обог-
рева:
категория А: напряжение питания электронагревательных элемен-
тов - выше 65 В при обогреве с помощью электродов, заложенных
в земле, или неизолированных сопротивлений, проложенных в земле
или воздухе;
категория Б: напряжение питания нагревательных элементов -
не более 65 В при обогреве с помощью электродов, заложенных в зем-
ле, или неизолированных сопротивлений, проложенных в земле или
воздухе. При напряжении выше 65 В прокладка нагревательных эле-
ментов осуществляется в асбоцементных трубах, возможно также при-
менение специальных кабелей.
В парниках используемые для нагрева тэны или провода марок
ПОСХВ и ПОСХП, а также провода из стальной проволоки, которые
могут быть заложены в бетон или защищены металлической сеткой,
подсоединенной к нулевому контакту, запитывают, как правило, на по-
ниженное напряжение 6, 12, 36 В. Их относят к категории Б.
Главным условием надежной и безопасной работы электронагре-
вательной системы парниковых сооружений является строгое соблюде-
ние ПТЭ и Правил техники безопасности (ПТБ) в электроустановках.
Территория, отведенная под парники с электрообогревом, должна быть
огорожена забором высотой не менее 2 м, а на въездные ворота должны
быть прикреплены предупреждающие таблички: «Под напряжением»,
«Опасно для жизни» и «Вход на территорию запрещен». За все действия
обслуживающего персонала парникового хозяйства с электрообогревом
несет закрепленный за ним электромонтер.
Экономическая эффективность электрообогрева парников была
доказана во всех случаях, где такой обогрев применялся. При этом она
превзошла в 1,5-2 раза экономическую эффективность парников,
обогреваемых другими видами топлива.
> Основным требованием к сооружениям защищенного грунта
является микроклимат - температура воздуха и почвы, а также влажность
того и другого. Для выращивания растений в таких сооружениях приме-
няют прямой и косвенный нагрев. Воздух нагревают косвенным способом
с помощью электрокалориферов и электровентиляторов. Для нагрева поч-
вы используют оба способа. Прямой нагрев осуществляется за счет элек-
трического сопротивления проволоки или нагревательных проводов
358
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного грунта
ПОСП, ПОСХВ и др. С целью обеспечения оптимального температурного
режима почвы и воздуха для выращиваемых растений и экономии элек-
троэнергии широко применяется комплектное устройство КЭПТ.
В сооружениях защищенного грунта для электроотопления или
электрообогрева применяется целая серия различных электронагрева-
тельных устройств: электрокалориферы, фены, различные установки
радиационного обогрева, электрокотлы, устройства для оттаивания поч-
вы и грунта, обогрева бетона, дорожных покрытий и т. д.
Главным условием надежной и безопасной работы любых элек-
тронагревательных установок является строгое соблюдение ПТЭ, ПТБ
и инструкций, которые разрабатывает и утверждает главный энергетик
данного хозяйства.
Примеры решения задач
и задачи для самостоятельной работы
Пример 1. Определить количество теплоты, выделяющейся за ка-
ждые 10 мин в электронагревателе, включенном в сеть напряжением
U = 220 В, если сила тока в проводнике I = 2 А.
Решение. Количество теплоты, выделяемой проводником, по кото-
рому течет ток, равно работе тока, Дж:
Q = А = Ult;
£> = 220-2-600 = 264 000.
Ответ'. Q = 2,64 • 105 Дж.
Пример 2. Рассчитать длину витка и количество витков одной
спирали обогревателя в теплице, если его мощность Робогр = 65 кВт,
мощность спирали из нихромовой проволоки Рспир =1,5 кВт, количество
спиралей п = 28, средний диаметр спирали d= 2 см; напряжение в сети
U = 220 В; температура воздуха, выходящего из обогревателя, t = 40° С;
удельное сопротивление провода г0 = 3 Ом/м.
Решение. Количество витков одной спирали
^вит ^спир /^вит ’
359
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве
где /спир - длина проволоки на одну спираль, м;
/	— V V
спир	спир / 0 ’
где гспир - сопротивление одной спирали, Ом;
Спир — I ’
где I - ток в одной спирали, А;
^пирЛ/ = 1 500/220 = 6,82 А;
гСПИр = 220/6,82 = 32,3 Ом.
Таким образом,
/спир = 32,3/3 = 10,8м = 1 080 см.
Длина одного витка
/ =7i<i = 3,14-2 = 6,28 см.
ВИ 1	у	у
Количество витков
77вит = 1 080/6,28 = 164 витка.
Ответ:	=6,28 см; nKWT =164 витка.
ВИ1	у	у БИ1
Задачи
1.	Какое количество теплоты выделяет за 10 мин проволочная
спираль сопротивлением R = 15 Ом, если сила тока в цепи I = 2 А?
2.	В спираль электроплитки, включенной в сеть напряжением
U= 220 В, при силе тока 1= 3,5 А выделилось 693 кДж теплоты. Сколь-
ко времени была включена в сеть электроплитка?
3.	Проволочная спираль, сопротивление которой в нагретом со-
стоянии R = 55 Ом, включена в сеть напряжением U = 110 В. Какое ко-
личество теплоты выделяет эта спираль за 1 мин?
4.	Длина теплицы а = 60 м, высота h = 3,5 м, площадь натяжных
проемов F2 = 9 м2, площадь торцевых приточных проемов /д = 12 м2.
360
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного грунта
Определить, какую кратность воздухообмена теплица с такими конст-
руктивными параметрами обеспечит при температуре t = 4 °C.
5.	Ширина теплицы а = 54 м, высота h = 2 м. Боковые огражде-
ния открыты, температура наружного воздуха t = 5 °C. Отношение
площади боковых приточных отверстий 2/ к общей поверхности F
равно 0,05. Определить кратность воздухообмена.
Вопросы для самопроверки
1.	Какие нагревательные установки применяют для сооружений
защищенного грунта?
2.	Что необходимо проверить при техническом обслуживании на-
гревательных элементов?
3.	Какие существуют способы прокладки нагревательных прово-
дов и кабелей?
4.	Какие нагревательные устройства применяются в тепличных
комплексах?
5.	Чем регламентируются ремонтные работы электрооборудования?
361
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как известно, вещество может находиться в четырех агрегатных
состояниях - твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы. Элек-
тромагнитное и магнитное поле, так же как электрический ток, может
быть постоянным и переменным, причем быстро изменяющимся как во
времени, так и в направлении. Посредством электрического тока и элек-
тромагнитных полей над веществом, находящимся в каждом из агрегат-
ных состояний, можно совершать множество различных операций, на-
пример изменять его температуру, форму, состав, структуру, свойства
и т. д. Всё это говорит о широких возможностях электротехнологии.
Кроме того, современные электротехнические технологии направ-
лены на получение новых материалов, выдерживающих более высокие
напряжения и температуры, обладающие улучшенными физико-механи-
ческими и химическими свойствами.
Вновь созданные материалы открывают новые возможности со-
временных электротехнологических установок. Так, например, приме-
няемые в сельском хозяйстве новые электротехнологические установки
для предпосадочной и предпосевной обработки позволяют повысить
урожайность сельскохозяйственных культур на 15-20 %.
Глобальное изменение климата на планете, хозяйственная деятель-
ность общества, стремительное развитие науки и техники ставят перед че-
ловечеством всё новые и новые проблемы, такие как загрязнение окру-
жающей среды, глобальное потепление, истощение природных ресурсов,
сокращение видового разнообразия флоры и фауны и др. В большинстве
случаев ответ на вызов настоящего времени дает современная наука —
электротехнология. Поэтому изучение данной дисциплины студентами
электротехнических специальностей чрезвычайно важно для их будущей
профессиональной деятельности. Потребность в таких специалистах в на-
стоящее время в нашей стране высока.
Автор надеется на то, что данное учебное пособие поможет чита-
телям решать их будущие производственные задачи с помощью знаний
и умений, полученных при освоении курса «Электротехнологии».
362
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Алиферов, А. И. Электроконтактный нагрев / А. И. Алиферов,
С. Лупи. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2004. - 224 с.
2.	Баранов, Л. А. Светотехника и электротехнология / Л. А. Ба-
ранов, В. А. Захаров. - М. : Изд-во «КолосС», 2008. - 344 с.
3.	Болотов, А. В. Электротехнологические установки : учеб. /
А. В. Болотов, Г. А. Шепель. — М. : Высш, шк, 1998. - 336 с.
4.	Васильев, А. С. Источники питания высокочастотных электро-
термических установок / А. С. Васильев, Г. Конрад, С. В. Дзлиев. — Но-
восибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 426 с.
5.	Верходуров, А. Д. Формирование поверхностного слоя металлов
при электроискровом легировании / А. Д. Верходуров. - Владивосток :
Дальнаука, 1995. - 321 с.
6.	Виноградов, Б. А. Лазерная диструкция полимеров / Б. А. Вино-
градов. - Владивосток : Дальнаука, 1995. - 199 с.
7.	Евтюкова, И. И. Электротехнологические промышленные уста-
новки / И. И. Евтюкова. - М. : Энергоиздат, 1992.
8.	Егоров, А. В. Электрические печи / А. В. Егоров, А. Ф. Моржин. -
М. : Металлургия, 1975.-352с.
9.	Живописцев, Е. Ч. Электротехнология и электрическое освещение /
Е. Ч. Живописцев, О. А. Косицин. - М.: Агропромиздат, 1990. - 303 с.
10.	Игнатьев, А. Г. Устройство для регулирования температуры
в теплице / А. Г. Игнатьев. - М. : Энергоатомиздат, 1985. - 540 с.
11.	Климов, В. В. Оборудование теплиц для подсобных и личный
хозяйств / В. В. Климов. - М. : Энергоатомиздат, 1992. - 96 с.
12.	Комбинированные электротехнологии нанесения защитных
покрытий / отв. ред. : В. С. Чередниченко, В. Г. Радченко. - Новоси-
бирск : Изд-во НГТУ, 2004. - 260 с.
13.	Кувалдин, А. Б. Скоростные режимы индукционного нагрева
и термонапряжения в изделиях / А. Б. Кувалдин, А. Р. Лепёшкин. - Но-
восибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 284 с.
14.	Кудрин, Б. И. Электроснабжение промышленных предприятий :
учеб, для студентов высших учебных заведений / Б. И. Кудрин. —
2-е изд. — М. : Интермет Инжиниринг, 2006. — 672 с.
15.	Материаловедение. Технология конструкционных материалов :
учеб, пособие для вузов / под ред. В. С. Чередниченко. - 2-е изд., пере-
раб. - М. : Омега-Л, 2007. - 752 с.
363
Библиографический список
16.	Миронов, Ю. М. Установки электрошлаковой металлургической
технологии / Ю. М. Миронов. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. -
457 с.
17.	Миронов, Ю. М. Электрооборудование и электроснабжение
электротехнических, плазменных и лучевых установок : учеб, пособие
для вузов / Ю. М. Миронов, А. Н. Миронов. - М. : Энергоатомиздат,
1991.-376 с.
18.	Миронова, А. Н. Электроснабжение электротермических уста-
новок / А. Н. Миронова. - Чебоксары : Изд-во ГПТИ, 1991. - 376 с.
19.	Михайлов, М. М. Основы электротехнологий : учеб, пособие /
М. М. Михайлов. - Томск : Изд-во ТПУ, 1998. - 239 с.
20.	Попов, Ю. П. Монтаж и эксплуатация электрооборудования :
учеб, пособие / Ю. А. Попов, В. А. Тремясов, А. Ю. Южанников ; Крас-
нояр. гос. техн. ун-т. - 3-е изд., испр. и доп. - Красноярск : ИПЦ КГТУ,
2002. - 377 с.
21.	Суворин, А. В. Эксплуатация систем электроснабжения и элек-
тротехнология : метод, указания по лаб. работам / А. В. Суворин,
Г. П. Образцов ; Краснояр. гос. техн. ун-т. — Красноярск : ИПЦ
КГТУ, 2002. - 20 с.
22.	Суворин, А. В. Эксплуатация систем электроснабжения : ме-
тод. указания к практ. занятию № 1 / А. В. Суворин, Г. П. Образцов ;
Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. - 26 с.
23.	Суворин, А. В. Электрическое освещение : сб. примеров и за-
дач / А. В. Суворин ; Краснояр. гос. техн. ун-т. - Красноярск : КГТУ,
1993.- 120 с.
24.	Суворин, А. В. Электрическое освещение : учеб, пособие /
А. В. Суворин, А. С. Амузаде, Т. П. Рубан ; Краснояр. гос. техн. ун-т. -
Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2008. - 88 с.
25.	Тимофеев, В. П. Физические основы лазерного излучения /
В. П. Тимофеев, И. Э. Лямкина. - Красноярск : КПИ, 1993. - 42 с.
26.	Филиков, В. А. Электротехнические и конструкционные мате-
риалы / В. А. Филиков. - 4-е изд. - М. : Академия, 2008. - 280 с.
27.	Чередниченко, В. С. Плазменные электротехнологические
установки : учеб, для вузов / В. С. Чередниченко, А. С. Анынаков,
М. Г. Кузьмин. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. - 508 с.
28.	Чередниченко, В. С. Электрические печи сопротивления. Тепло-
передача и расчеты электропечей сопротивления : в 2 т. Т. 1 / В. С. Черед-
ниченко, А. С. Бородачёв, В. Д. Артемьев ; под ред. В. С. Чередниченко. -
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. - 624 с.
364
Библиографический список
29.	Чередниченко, В. С. Электрические печи сопротивления. Конст-
рукции и эксплуатация электропечей сопротивления : в 2 т. Т. 2 / В. С. Че-
редниченко, А. С. Бородачёв, В. Д. Артемьев ; под ред. В. С. Чередни-
ченко. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2006. — 572 с.
30.	Шишко, Г. Г. Теплица и тепличное хозяйство : справ. / Г. Г. Шиш-
ко. - Киев : Урожай, 1993. - 421 с.
31.	Электротермическое оборудование : справ. - М. : Энергия,
1980.
32.	Электротехнический справочник : в 4 т. Т. 3. Производство,
передача и распределение электрической энергии / под общ. ред.
В. Г. Герасимова [и др.] ; гл. ред. А. И. Попов. - 9-е изд., стер. - М. :
Энергоатомиздат, 2004. - 964 с.
33.	Яковлев, П. Б. Электротехнология / П. Б. Яковлев. - М. : Изд-во
МЭИ, 1978.-86 с.
34.	Вайнберг, А. М. Индукционные плавильные установки /
А. М. Вайнберг. -М. : Энергия, 1967.
365
ПРИЛОЖЕНИЕ
Словарь терминов
Анодно-абразивная обработка — тип обработки, который осно-
ван на анодном растворении и механическом (абразивном) воздействии
на обрабатываемое изделие.
Анодно-механическая обработка - обработка, которая основана на
одновременном использовании электроэрозионных и электрохимических
процессов, происходящих в заполненном электролитом межэлектродном
промежутке между электродом-инструментом и электродом-заготовкой.
Включение — подача напряжения на клеммы электроприемника.
Выпрямленный ток — постоянный по направлению ток, прохо-
дящий по элементам замкнутой цепи.
Гальванопластика - электрохимический процесс нанесения метал-
лов на шаблоны, применяемые при изготовлении штампов различных из-
делий (музыкальные пластинки-диски, типографские клише, статуи и т. д.).
Гальваностегия - нанесение металлических или декоративных
покрытий на изделия (главным образом металлические) при помощи
электролиза (золочение, серебрение, никелирование, железнение, хро-
мирование и др.).
Генератор - электрическая машина, предназначенная для преоб-
разования механической энергии в электрическую.
Генератор низкотемпературной плазмы (плазмотрон) - элек-
тротехнический аппарат, в котором происходит нагрев плазмообразую-
щей среды электрическим разрядом.
Генераторы импульсных токов - преобразователи электриче-
ского тока промышленной частоты в импульсы токов большой ампли-
туды, которые образуются при разряде мощной батареи.
Гетинакс - диэлектрический материал, слоистый пластик.
Двигатель электрический — вращающаяся электрическая маши-
на, преобразующая электрическую энергии в механическую.
Диэлектрик — вещество, не проводящее электрический ток.
Диэлектрический нагрев - нагрев помещенных в высокочастот-
ное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников,
происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при
поляризации.
366
Приложение
Дроссель (реактор) - устройство для ограничения бросков тока
при эксплуатационных коротких замыканиях и стабилизации горения
дуги.
Дуга (электрическая дуга) - электрический разряд в газе, харак-
теризующийся высокой плотностью тока.
Дуговая электропечь - электропечь, в которой электрическая
энергия преобразуется в тепловую за счет электрической дуги.
Дуговой нагрев - процесс, при котором материал нагревается за
счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также
вследствие теплообмена с дугой и электродами.
Дуговые печи косвенного действия — печи, в которых электро-
дуговой разряд горит между электродами, расположенными над нагре-
ваемым материалом, и теплообмен между электрической дугой и мате-
риалом осуществляется в основном за счет излучения.
Дуговые печи прямого действия - печи, в которых электриче-
ская дуга горит между концами электродов и нагреваемым материалом.
Нагрев материала осуществляется при выделении энергии в опорных
пятнах дуги, протекании тока через расплав, а также за счет излучения
плазмы дуги, конвекции и теплопроводности.
Дуговые печи сопротивления - печи, в которых дуга горит под
слоем электропроводной шихты; теплота выделяется в дуговом разряде
и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавлен-
ных материалах. Передача теплоты в объем печи осуществляется за счет
теплопроводности, излучения и, в меньшей мере, конвекции.
Емкость - элемент электрической цепи, заменяющий конденсатор.
Жаропрочность - свойство материала сохранять высокую меха-
ническую прочность при высоких температурах.
Жароупорность - устойчивость к химическим реакциям при вы-
соких температурах.
Излучение - передача теплоты в невидимой (инфракрасной) и ви-
димой частях спектра.
Измерение - нахождение физической величины опытным путем.
Импульс электрический - напряжение или ток в течение корот-
кого промежутка времени.
Индукционная печь - электрическая печь, имеющая индуктор,
первичную обмотку, подключенную к сети переменного тока, и нагре-
ваемое тело, являющееся вторичной обмоткой.
Индукционная тигельная печь — печь, в которой плавка осуще-
ствляется в тигле, помещенном в индуктор.
367
Приложение
Индукционные насосы - электромагнитные насосы для перекач-
ки жидких металлов; являются одной из разновидностей магнитогидро-
динамических машин переменного тока.
Индукционный нагрев - процесс, основанный на преобразова-
нии энергии электромагнитного поля в тепловую энергию посредством
наведения в нагреваемом теле вихревых токов.
Индукция (электромагнитная) - явление возникновения элек-
тродвижущей силы в контуре при изменении магнитного потока.
Индуцированный ток - ток, протекающий в замкнутом контуре
под влиянием индуцированной электродвижущей силы.
Искровой промежуток — критическое расстояние, разделяющее
электроды, находящиеся под напряжением.
Искровой разряд - электрический разряд в газе или жидкости.
Конвекция - теплопередача в жидкостях и газах, при которой пе-
ремещаются отдельные частицы и отдельные элементы объема вещест-
ва, переносящие присущий им запас тепловой энергии.
Кондукционные насосы - насосы, которые перекачивают прово-
дящую жидкость в результате воздействия на нее силы, возникающей
при взаимодействии магнитного поля, создаваемого магнитной систе-
мой насоса, с электрическим током, проходящим через находящуюся
в насосе проводящую жидкость.
Короткое замыкание - соединение двух и более точек электри-
ческой цепи, при котором происходит замыкание между фазами или фаз
на землю.
Лазерный нагрев - процесс, происходящий за счет нагрева по-
верхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных
потоков световой энергии, полученных в лазерах — оптических кванто-
вых генераторах.
Магнитно-импульсная обработка металлов - способ пластиче-
ской деформации металлов, осуществляемый при прямом преобразова-
нии электрической энергии в механическую непосредственно в самом
обрабатываемом изделии.
Магнитопровод - замкнутая магнитная система, состоящая из
изолированных друг от друга пластин, выполненных из электротехни-
ческой стали.
Междуфазное замыкание - короткое замыкание двух и более
фазных выводов между собой.
Механическая прочность огнеупоров — верхний температурный
предел применения огнеупоров.
368
Приложение
Микроклимат - совокупность физических и химических пара-
метров (температура, влажность, подвижность воздуха, содержание уг-
лекислоты, аммиака, сероводорода, запыленность, наличие микрофло-
ры, ионосодержание и др.) воздушной среды, искусственно создавае-
мых в закрытом помещении.
Нагрев сопротивлением - процесс выделения теплоты в прово-
дящем материале при протекании по нему электрического тока.
Обмотка - совокупность витков или катушек, предназначенных
выполнять определенную функцию в электротехнической установке.
Огнеупорность — способность материалов выдерживать высокие
температуры без разрушения (деформации и оплавления).
Однолинейная схема электрических соединений - принципи-
альная схема соединений одной из фаз многофазной электроустановки,
выполненная в предположении, что схемы соединений прочих фаз ана-
логичны.
Плазма - состояние вещества, характеризующееся наличием ней-
тральных молекул и атомов, а также заряженных частиц — электронов
и ионов, проводящее электрический ток.
Плазменный нагрев - процесс, основанный на нагреве газа за
счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное элек-
тромагнитное или электрическое поле.
Предохранитель - электрический аппарат, предназначенный для
отключения защищаемой цепи, находящейся под действием тока, пре-
вышающего номинальное значение в течение заданного времени.
Разъединитель - аппарат, который служит для создания видимо-
го разрыва силовой цепи.
Реостат — устройство, величину сопротивления которого можно
изменять.
Сварочный выпрямитель - электрический аппарат для питания
сварочной дуги постоянным током.
Сварочный трансформатор - электрический аппарат, предназна-
ченный для питания установок электрической сварки переменным током.
Светлый ламповый излучатель - осветительная установка, со-
стоящая из лампы накаливания с вольфрамовой нитью и стеклянной
колбой, нижняя часть которой имеет зеркальное покрытие для обеспе-
чения направленного излучения.
Светлый кварцевый излучатель — осветительная установка, со-
стоящая из трубки, изготовленной из кварцевого стекла, внутрь которой
помещают спираль из нихрома или вольфрама.
369
Приложение
Теплопроводность - передача теплоты внутри твердого тела или
неподвижной жидкости (газа) от областей с более высокой температу-
рой к областям с более низкой температурой.
Термическая устойчивость - способность материала без разру-
шения выдерживать резкие колебания температуры.
Ультразвук - механические колебания, которые могут распростра-
няться только в упругой среде в отличие от электромагнитных колебаний.
Ферросплавы - материалы, которые получают восстановлением
оксидов соответствующих металлов, используя восстановители — угле-
род, кремний и алюминий.
Число Фарадея — количество электричества, требующееся для
выделения одного грамм-эквивалента вещества.
Электрическая дуга - процесс, который позволяет посредством
электрического тока нагревать различные среды до высоких темпера-
тур, недостижимых при сжигании топлива.
Электрическая дуговая сварка - процесс получения неразъем-
ных соединений деталей из различных материалов за счет их сплавле-
ния с помощью электрической дуги.
Электрическая контактная сварка - процесс образования
неразъемного соединения в результате нагрева металлических деталей
протекающим по ним электрическим током и сдавливания деталей
с последующим охлаждением зоны сварки.
Электрические печи сопротивления - печи, в которых нагрев
осуществляется за счет протекания электрического тока в нагревателях.
Электрические сушила — установки радиационного или конвек-
торно-радиационного действия для сушки различных материалов и из-
делий.
Электрический ток - направленное движение положительных
или отрицательных электрических зарядов под действием электриче-
ского поля.
Электрогазоочистка - выделение из газового (воздушного) пото-
ка содержащихся в нем твердых или жидких частиц.
Электрогидравлический эффект - возникновение высокого дав-
ления в результате высоковольтного электрического разряда между по-
груженными в непроводящую жидкость электродами.
Электродиализ - явление, которое составляют диализ (очистка
растворов от электролитов) и электрофорез.
Электрокалорифер - электронагревательный аппарат, состоящий
из нагревательного элемента и вентилятора.
370
Приложение
Электроконтактная обработка - процесс, который применяется
для съема материала с электропроводной заготовки.
Электролиз - выделение вещества на электродах при прохожде-
нии тока через электролит, а также процессы окисления или восстанов-
ления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей
электронов частицами вещества.
Электролиты - вещества, растворы и расплавы которых могут
проводить электрический ток ионами, образующимися в результате
электролитической диссоциации.
Электронно- и ионно-лучевой нагрев - нагрев, в результате ко-
торого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижу-
щихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с по-
верхностью нагреваемого объекта.
Электронно-лучевой нагрев - процесс, который применяется для
обработки тугоплавких и химически активных металлов, сварки, испа-
рения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлиза-
ции, напыления и д.р.
Электроокраска — нанесение твердых или жидких покрытий на
изделия.
Электроосмос — движение жидкости по отношению к твердому
телу под действием электрического поля.
Электросепарация - разделение многокомпонентных систем на
компоненты, путем использования электрофизических и физико-
химических свойств частиц компонентов.
Электрофорез (катафорез) - движение частиц, взвешенных
в жидкости или газе, под воздействием электрического поля.
Электрохимико-механическая обработка — процесс обработки
металлических деталей в электролитах в совокупности с механическими
и электроэрозионными процессами.
Электрохимический эквивалент - количество вещества, выде-
лившееся из электролита при прохождении одного кулона электричества.
Электроэрозионная обработка - метод размерной обработки ме-
таллов с высокими механическими свойствами при непосредственном
использовании теплового эффекта электрической энергии.
Электроэрозионно-химическая обработка - удаление металла
благодаря анодному растворению и электроискровой эрозии в потоке
электролита, прокачиваемого через межэлектродный промежуток.
371
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................ 3
Введение........................................................... 6
Часть I. Электротермия............................................ 10
Глава 1. Основы теории электротермических установок..	10
1.1.	Способы преобразования электрической энергии
в тепловую.............................................. 10
1.2.	Законы теплопередачи......................... 11
1.3.	Материалы, применяемые в электротермических ус-
тановках ............................................... 13
Глава 2. Электронагрев сопротивлением..................... 20
2.1.	Электрическое сопротивление и его физическая сущ-
ность .................................................. 20
2.2.	Электрическое сопротивление металлических нагре-
вательных элементов..................................... 21
2.3.	Электротермические установки электрообогрева.	23
2.4.	Электрические печи сопротивления.................. 27
2.5.	Электрооборудование печей сопротивления........... 32
2.6.	Электронагрев растворов и расплавов............... 35
2.7.	Нагрев электрошлаковых установок.................. 37
Глава 3. Контактная сварка................................ 46
3.1.	Физические процессы при контактной сварке....	46
3.2.	Стыковая сварка................................... 48
3.3.	Точечная сварка................................... 50
3.4.	Шовная сварка..................................... 53
3.5.	Электрооборудование, применяемое при контактной
сварке.................................................. 54
Глава 4. Индукционный и диэлектрический нагрев............ 64
4.1.	Индукционный нагрев......................... 64
4.1.1.	Теоретические основы индукционного	нагрева	64
4.1.2.	Индукционные плавильные установки...... 67
4.1.3.	Индукционные установки для нагрева..... 78
4.2.	Диэлектрический нагрев...................... 83
4.2.1.	Теоретические основы диэлектрического	нагрева	83
4.2.2.	Установки диэлектрического нагрева..... 87
4.3.	Электроснабжение установок индукционного и ди-
электрического нагрева............................ 91
372
Оглавление
Часть II. Установки дугового электрического нагрева............ 102
Глава 5. Теория дугового разряда....................... 102
5.1.	Ионизация газов. Плазма - четвертое физическое со-
стояние вещества.................................... 102
5.2.	Электро дуговой разряд......................... 104
5.3.	Закономерности плазмы электродугового столба..	107
5.4.	Дуга переменного тока......................... 110
5.5.	Регулирование электрической дуги............... 113
Глава 6. Дуговые электрические печи.................... 121
6.1.	Классификация дуговых электрических печей.....	121
6.2.	Дуговые печи косвенного и прямого действия....	121
6.2.1.	Дуговые печи косвенного действия.......... 121
6.2.2.	Дуговые печи прямого действия............. 123
6.2.3.	Электрическая часть дуговых печей косвенного
и прямого действия............................... 128
6.2.4.	Электрические характеристики дуговых печей
косвенного и прямого действия.................... 133
6.2.5.	Электромагнитное перемешивание стали в ду-
говых печах...................................... 135
6.2.6.	Электроснабжение дуговых печей косвенного
и прямого действия............................... 137
6.3.	Дуговые печи сопротивления: рудно-термические
печи................................................ 138
6.4.	Вакуумные дуговые печи......................... 146
6.4.1.	Дуговой разряд в вакуумных дуговых печах.	148
6.4.2.	Электрическая часть вакуумных дуговых печей 149
Глава 7. Дуговая электрическая сварка.................. 156
7.1.	Теоретические основы дуговой сварки............ 156
7.2.	Источники питания дуговой сварки............... 160
7.3.	Особенности ручной дуговой сварки.............. 170
7.4.	Особенности полуавтоматической и автоматической
сварки.............................................. 171
Глава 8. Плазменные технологии......................... 177
8.1.	Получение и применение низкотемпературной
плазмы.............................................. 177
8.2.	Плавильные установки с применением плазмы.....	189
8.3.	Плазменная резка и сварка металлов............. 192
8.4.	Плазменное нанесение покрытий.................. 195
Часть III. Технологии электронно-лучевого нагрева.............. 201
Глава 9. Установки электронно-лучевого нагрева......... 201
9.1.	Теоретические основы электронно-лучевого нагрева..	201
373
Оглавление
9.2.	Конструктивные особенности электронно-лучевых
установок.............................................. 203
9.3.	Применение электронно-лучевого нагрева........... 208
Глава 10. Оптические квантовые генераторы (лазеры).....	217
10.1.	Устройство и работа лазерных установок.......... 217
10.2.	Типы квантовых генераторов...................... 220
10.3.	Технологические основы лазерной обработки.....	227
Часть IV. Технологии электрохимической и электрофизической
обработки........................................................ 233
Глава 11. Электролизные технологии....................... 233
11.1.	Теория электрохимической обработки.............. 233
11.2.	Электролиз растворов и расплавов................ 235
11.3.	Электрохимическая обработка изделий............. 237
11.4.	Электроснабжение электрохимических технологий... 238
Глава 12. Электроэрозионная обработка металлических из-
делий.................................................... 244
12.1.	Теория электроэрозионных процессов.............. 244
12.2.	Характеристики импульсных разрядов и источников
питания................................................ 246
12.3.	Области применения электроэрозионной обработки	247
12.4.	Особенности электроконтактной обработки......... 249
Глава 13. Электрохимико-механические процессы электролиза	255
13.1.	Технология анодно-абразивной обработки.......... 255
13.2.	Технология анодно-механической обработки......	257
13.3.	Технология электрохимической обработки.......... 260
13.4.	Технологическое оборудование электрохимико-
механической обработки................................. 261
Часть V. Электромеханические технологии.......................... 266
Глава 14. Магнитно-импульсная обработка металлов.......	266
14.1.	Теоретические основы магнитно-импульсной обра-
ботки ................................................. 266
14.2.	Технологическое оборудование магнитно-импульсной
обработки.............................................. 270
14.3.	Особенности устройства электромагнитных насосов 273
Глава 15. Электрогидравлическая обработка материалов...	280
15.1. Теория электрогидравлического эффекта........... 280
15.2. Практическое использование электрического раз-
ряда в жидкости........................................ 283
Глава 16. Получение и использование ультразвука.......... 288
16.1.	Теоретические основы ультразвуковой обработки.	288
374
Оглавление
16.2.	Устройство и работа ультразвуковых установок.	289
16.3.	Технологические особенности применения ультра-
звука................................................... 293
Часть VI. Методы использования электрокинетических технологий 300
Глава 17. Теоретические основы электронно-ионных техно-
логий..................................................... 300
17.1.	Технологические особенности электронно-ионных
процессов.......................................... 300
17.2.	Воздействие электрического поля на заряд частицы,
находящейся в нем....................................... 302
17.3.	Теория поведения заряженных частиц в электриче-
ском поле............................................... 306
17.4.	Адсорбирование частиц в электрическом поле...	308
Глава 18. Устройство и работа электростатических установок..	314
18.1.	Устройство и работа электрофильтров.............. 314
18.2.	Конструктивные особенности питания электро-
фильтров................................................ 319
18.3.	Применение электростатических технологий в уста-
новках различного назначения............................ 322
Часть VII. Электротехнологии в сельском хозяйстве................. 329
Глава 19. Электротехнологии в животноводческих и птице-
водческих комплексах...................................... 329
19.1.	Определение мощности нагревательной установки ...	329
19.2.	Электрокалориферные установки.................... 332
19.3.	Установки местного обогрева...................... 337
19.4.	Эксплуатация электротермического оборудования
для создания микроклимата............................... 346
Глава 20. Электротехнологии в сооружениях защищенного
грунта.................................................... 351
20.1.	Электрический обогрев сооружений защищенного
грунта............................................. 351
20.2.	Электрообогрев почвы и воздуха................... 352
20.3.	Правила технической эксплуатации электротермиче-
ских устройств в теплицах и парниках............... 357
Заключение........................................................ 362
Библиографический список.......................................... 363
Приложение........................................................ 366
375