5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

гг. создал и с успехом применяет и сегодня ЦНИИ технологии машиностроения (ЦНИИТмаш).

Электродные водонагреватели. Первый водогрейный котел на на-

пряжение 6 кВ был изготовлен в 1907 г.

В 1960-е гг. во ВНИИЭТО была разработана серия электродных котлов для сельского хозяйства мощностью 25–400 кВт, с диапазоном регулирования мощности 10–100 %.

5.1.2.2. Электродуговой нагрев

Начальный период. В 1878–1880 гг. В. Сименс (Англия) выполнил ряд работ, которые легли в основу создания дуговых печей прямого и косвенного нагрева, в том числе однофазной дуговой печи емкостью 10 кг. Им было предложено использовать магнитное поле для отклонения дуги и регу-

Дуговые сталеплавильные печи прямого нагрева. В 1900–1915 гг.

были выполнены различные усовершенствования печей конструкции П. Л. Т. Эру и Э. Стассано: печь с тремя электродами, трехфазное питание, подовый электрод, съемный свод, неподвижная ванна, графитизированные электроды, свинчиваемые (наращиваемые) электроды и т. д., которые способствовали распространению дуговых сталеплавильных печей (ДСП) в металлургии [33].

Использование дуговых печей в России началось с 1910 г., когда на Обуховском заводе в Петербурге была установлена двухэлектродная сталеплавильная печь Эру мощностью 500 кВ·А для дуплекс-процесса (мартен – электропечь). Емкость печи составляла 3,5 т при жидкой завалке и 2,5 т при твердой завалке, удельный расход электроэнергии – соответственно 280 и 865 кВт·ч/т.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Важными этапами для электрометаллургии России и СССР явились: 1910 г. – пуск завода «Пороги» на р. Сатке (ныне Челябинская область)

с печами для получения ферросилиция и углеродистого феррохрома (две печи мощностью по 350 кВт) и производство карбида кальция в печи 250–300 кВт на заводе в г. Алаверди (Армения);

1916 г. – разработка (С. И. Тельный и В. Г. Евреинов) печи для плавки стали с вращающейся дугой;

1917 г. – начало строительства электросталеплавильного завода «Электросталь» под г. Богородском (ныне г. Ногинск Московской области) с установкой четырех печей П. Л. Т. Эру емкостью 1,5 т;

1925 г. – выпуск двух печей с вращающейся дугой емкостью по 0,25 т и мощностью 200 кВ·А для фасонного литья на заводе «Электросила» (позднее Харьковском электромашиностроительном заводе – Л. И. Аронов и А. П. Ионов);

1928 г. – на Московском электрозаводе сконструирована и изготовлена дуговая печь ГЭТ косвенного действия для плавки меди (четыре типоразмера печи мощностью 100–325 кВ·А и емкостью 100–1200 кг);

1931 г. – изготовление и пуск в эксплуатацию трехтонных дуговых сталеплавильных печей (ДСП);

1932 г. – изготовление десятитонной ДСП и первых ферросплавных печей мощностью 800 и 1600 кВ·А;

1928–1934 гг. – на Московском электрозаводе изготовлена 151 дуговая печь емкостью до 12 т (Л. И. Аронов, К. М. Филиппов и др.);

1940 г. – на заводе «Уралэлектромашина» изготовлена ДСП емкостью 30 т (пущена в г. Запорожье).

За годы войны дуговые печи на предприятиях устарели, и появилась необходимость создания новых печей.

В1949–1952 гг. ОКБ треста «Электропечь» разработало серию дуговых сталеплавильных печей с выкатывающейся ванной (ДСВ) емкостью 5, 10, 18

и30 т. Всего на МосЗЭТО было изготовлено 40 печей общей емкостью свыше 700 т. В 1951–1953 гг. на заводе «Днепроспецсталь» были пущены в эксплуатацию две печи емкостью по 18 т и одна печь емкостью 30 т.

В1955 г. была разработана печь с поворотным сводом емкостью 80 т. Две такие печи были изготовлены в 1958 г. Новосибирским ЗЭТО и установлены на Новолипецком металлургическом комбинате.

В1971 г. на волгоградском металлургическом заводе «Красный Октябрь» были введены в эксплуатацию две печи ДСП-200, разработанные ВНИИЭТО. Емкость такой печи – 200 т, мощность печного трансформатора (разработан и изготовлен на Московском электрозаводе) – 45 МВ·А.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Рис. 5.3. Дуговая электропечь для плавки чугуна из руд конструкции Э. Стассано: 1 – шахта; 2 – электроды

Для увеличения производительности ДСП стали использовать трансформаторы более высокой мощности, в частности для печи емкостью 200 т –

90 и 125 МВ·А.

Шведская фирма ASEA в 1947 г. разработала для крупных ДСП устройство электромагнитного перемешивания расплавленного металла. В 1960- х гг. в США стали применять печи емкостью 400–800 т с трансформаторами мощностью до 200 МВ·А. В конце 1970-х гг. фирма «Маннесман» (ФРГ) стала применять систему донной разливки стали и охлаждаемые стены и свод. Все эти разработки были направлены на увеличение производительности печей.

В1980-е гг. наиболее перспективными направлениями развития ДСП

внашей стране и за рубежом явились дуговые печи с питанием на постоянном токе, что существенно снизило потери в короткой сети, и печи с водоохлаждаемой футеровкой и сводом для работы в дуплекс-процессе, т. е. практически только для расплавления шихты. Во ВНИИЭТО (А. Н. Попов, Л. С. Кацевич и др.) был проведен ряд исследований и конструкторских разрабо-

ла введена в эксплуатацию в 1981 г. В 1984 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате (Белгородская область) установлены две ДСП емкостью по 150 т с трансформатором 90 МВ·А. В футеровке стен печи использованы водоохлаждаемые панели.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Дуговые печи косвенного нагрева. Дуговая барабанная качающаяся печь с двумя горизонтальными электродами разработана в Корневильском университете (Нормандия) в 1915 г. (Х. В. Жиллетт) и изготовлена в 1917 г. В 1918 г. фирма по производству электропечей в г. Детройте (США) начала серийное производство этих однофазных печей для переплава медных сплавов. Попытки изменить конструкцию (ввести вращение ванны или три электрода с трехфазным питанием) оказались неудачными. В СССР печи такого типа изготавливались на Московском электрозаводе с 1929 г. В настоящее время дуговые печи косвенного нагрева не выдерживают конкуренции с индукционными плавильными печами.

Рудовосстановительные (руднотермические) печи. В начале XX в.

были созданы двухэлектродные печи постоянного или переменного тока для производства карбида кальция мощностью до 4000 кВ·А. Эти печи использовались также для производства ферросплавов. А. Хельфенштейн (Австрия) ввел в эксплуатацию трехфазные печи мощностью до 12 МВ·А с проводящим угольным подом, присоединенным к нейтральному проводу. В 1907 г. в Норвегии была пущена печь мощностью 24 МВ·А, представлявшая собой практически сдвоенную печь (две трехфазные системы в одном кожухе). Для улучшения условий труда уже в 1910 г. была создана конструкция полузакрытой печи с отсосом газов.

С 1895 г. разрабатываются конструкции электропечей для получения чугуна из железной руды. В 1908 г. в Швеции была построена дуговая печь (электрическая домна) мощностью 700 кВт с питанием от сети 25 Гц. В дальнейшем в Швеции и Норвегии были пущены несколько подобных усовершенствованных печей: двухфазная с четырьмя электродами мощностью 1850 кВт с использованием древесного угля, трехфазная с шестью электродами, а в 1913 г. – трехфазная конструкции А. Хельфенштейна мощностью 7360 кВт с использованием кокса. В 1925 г. в Норвегии (фирма «Электрохемикс») была введена в эксплуатацию первая закрытая низкошахтная прямоугольная печь мощностью 6 МВ·А.

В СССР первые ферросплавные печи (открытые) мощностью 800

и 1600 кВ·А изготовлены Московским электрозаводом в 1932 г. В 1934 г

вг. Запорожье пущены печи фирмы «Мигэ» (Франция) мощностью 10 МВ·А для получения алюмината бария и ферросилиция. Закрытые печи стали создаваться с середины 1930-х гг.

По разработкам ВНИИЭТО в СССР построены и пущены различные руднотермические печи. В 1958 г. пущена первая закрытая ферросплавная печь мощностью 10,5 МВ·А на Кузнецком ферросплавном заводе. В 1978 г. созданы и внедрены на Никопольском ферросплавном заводе печи мощностью 63 МВ·А для получения марганца и силикомарганца. В 1980-е гг. созданы и внедрены руднотермические печи мощностью 80 МВ · А для возгонки желтого фосфора, 63 МВ·А для получения ферросилиция и марганцевых сплавов, 40 МВ · А для производства силикохрома. Печи для возгонки жел-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

того фосфора, выпускавшиеся в СССР в 1970–1980-е гг., питались от трех однофазных трансформаторов с подключением к сети 110 кВ и по ряду показателей превосходили фосфорные печи США и ФРГ.

В начале 1980-х гг. фирма «Элкем» (Норвегия) ввела в эксплуатацию закрытую печь для производства феррохрома мощностью 105 МВ · А.

Вакуумные дуговые печи. Вакуумно-дуговая плавка предложена в 1905 г. В. фон Больманом (Германия). В. Кролл (США) в 1940 г. осуществил вакуумно-дуговую плавку титана.

Имеются два варианта вакуумно-дуговых печей (ВДП): с расходуемым (переплавляемым) и нерасходуемым (водоохлаждаемым) электродом. Второй вариант применяется реже, например для плавки слитков из губки или порошка (патент Англии, 1957). Количество ВДП быстро увеличивалось: например, в США за три года (1957–1959) оно почти удвоилось. При этом жаропрочные и шарикоподшипниковые стали плавили в ВДП, получая слитки диаметром до 600 мм и массой до 6 т. Промышленные ВДП для титана созданы в 1948–1950 гг. Вакуумная плавка тугоплавких металлов (молибден, ниобий, вольфрам) позволила получать слитки массой до 1 т (конец 1950-х

гг.).

В СССР работы по ВДП начались с середины 1950-х гг. в ряде организаций: Институт металлургии им. А. А. Байкова АН СССР (ИМЕТ), ЦНИИ черных металлов (ЦНИИчермет), МЭИ. Изготавливались и разрабатывались первые ВДП на Московском заводе электровакуумных печей (М. Я. Смелянский). В 1970 г. осуществлен пуск ВДП, разработанной во ВНИИЭТО, для производства слитков массой 60 т в г. Ижоры. В 1980-е гг. ВНИИЭТО разработал новую серию вакуумно-дуговых печей для плавки стали и тугоплавких металлов, в которых использовались электроды большего диаметра, кристаллизаторы различной формы сечения, подача инертного газа и другие конструктивные новшества.

Установки электрошлакового переплава. Первые в мире электро-

шлаковые печи (ЭШП) были разработаны и изготовлены Институтом электросварки АН УССР им. Е. О. Патона (ИЭС) и в 1958 г. введены в эксплуатацию на заводе «Днепроспецсталь» и Новокраматорском машиностроительном заводе. В ряде стран (Франция, Япония, Швеция и др.) установки ЭШП сделаны и эксплуатируются по лицензиям СССР.

В1960–1970-е гг. ВНИИЭТО совместно с ИЭС создал ряд промышленных установок ЭШП: для производства слитков массой 10 т в г. Краматорске (1962), 60 т в г. Ижоры (1968), для получения полых и прямоугольных слитков массой 16 т (1975), круглых слитков массой 200 т и диаметром 2–4 м, предназначенных для изготовления роторов турбин (1978). В 1977 г. была создана печь для электрошлакового литья емкостью 5 т.

В1980-е гг. получили распространение ЭШП для кокильного и центробежного литья, разработанные ИЭС.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

5.1.2.3. Индукционныйнагрев

Начальный период. Индукционный нагрев проводников основан на физическом явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1831 г. Теорию индукционного нагрева начали разрабатывать О. Хэвисайд (Англия, 1884), С. Ферранти, С. Томпсон, Ивинг. Их работы явились основой для создания техники индукционного нагрева. Так как при индукционном нагреве теплота выделяется в проводящем теле – слое, равном глубине проникновения электромагнитного поля, то появляются возможности точного управления температурой для обеспечения качественного нагрева при высокой производительности. Другим преимуществом является бесконтактность нагрева [34, 35].

Индукционные канальные печи с открытым каналом. Одна из пер-

вых известных конструкций индукционной канальной печи (ИКП) была предложена С. Ферранти (Италия) в 1887 г. Печь имела керамический канал, а плоские катушки индуктора были размещены над и под этим каналом. В 1890 г. Е. А. Колби (США) предложил конструкцию печи, у которой индуктор охватывает круговой канал снаружи.

Первую промышленную печь со стальным сердечником и индуктором, размещенным внутри канала (рис. 5.4), создал в 1900 г. Кьеллин (Швеция). Мощность печи – 170 кВт, емкость – до 1800 кг, частота – 15 Гц. Питание от специального генератора пониженной частоты, что необходимо из-за низкого значения коэффициента мощности. К 1907 г. в эксплуатации находились 14 подобных печей.

Рис. 5.4. Эскиз индукционной печи с открытым каналом, созданной Кьеллиным: 1 – канал; 2 – индуктор; 3 – магнитопровод

В 1905 г. Рёхелинг-Роденхаузер (Германия) сконструировал многофазные канальные печи (с двумя и тремя индукторами), в которых каналы-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

соединены с ванной, питание от сети 50 Гц. В последующих конструкциях печей использовались также закрытые каналы для плавки цветных металлов. В 1918 г. В. Рон (Германия) построил вакуумную ИКП по типу печи Кьеллина (давление – 2–5 мм рт. ст.), что позволило получить металл с лучшими механическими свойствами.

Всвязи с рядом преимуществ печей с закрытым каналом развитие печей с открытым каналом приостановилось. Однако были продолжены попытки использования таких печей для плавки стали.

В1930-х гг. в США для переплава скрапа нержавеющей стали использовалась однофазная ИКП емкостью 6 т с открытым каналом и питанием от генератора мощностью 800 кВт и частотой 8,57 Гц. Печь работала в дуплекспроцессе с дуговой печью. В 1940–1950-е гг. в Италии применялись ИКП

соткрытым каналом для плавки стали емкостью 4–12 т, изготовленные фирмой «Таглиаферри». В дальнейшем от использования таких печей отказались, так как они уступали по своим характеристикам дуговым и индукционным тигельным сталеплавильным печам.

Индукционные канальные печи с закрытым каналом. С 1916 г.

стали разрабатываться вначале опытные, а затем промышленные ИКП с закрытым каналом. Серия ИКП с закрытым каналом разработана фирмой «Аякс – Уатт» (США). Это шахтные однофазные печи с вертикальным каналом для плавки медноцинковых сплавов мощностью 75 и 170 кВ·А и емкостью 300 и 600 кг. Они явились основой для разработок ряда фирм.

В те же годы во Франции были изготовлены шахтные печи с горизонтальной трехфазной индукционной единицей (мощностью 150, 225

и320 кВт). В Англии фирма «Дженерал электрик лимитед» предложила модификацию печи с двумя каналами на индуктор при их несимметричном расположении, что вызывает циркуляцию расплава и снижение перегрева.

Печи Э. Русса (Германия) выпускались с двумя и тремя каналами на индуктор (вертикальное и горизонтальное исполнение). Э. Руссом также была предложена конструкция сдвоенной индукционной единицы (ИЕ), подключаемой к двум фазам.

ВСССР в 1930-е гг. ИКП по типу печей фирмы «Аякс – Уатт» стали выпускаться на Московском электрозаводе. В 1950-е гг. ОКБ «Электропечь» разработало печи для плавки меди и ее сплавов емкостью 0,4–6,0 т, а затем

и16 т. В 1955 г. на заводе в г. Белая Калитва пущена ИКП для плавки алюминия емкостью 6 т.

В1950-е гг. в США и Западной Европе ИКП стали широко применяться в качестве миксеров при плавке чугуна в дуплекс-процессе с вагранкой или дуговой электропечью. Для увеличения мощности и снижения перегрева металла в канале разрабатывались конструкции ИЕ с однонаправленным движением расплава (Норвегия). Тогда же были разработаны отъемные ИЕ. В 1970-е гг. фирма «Аякс магнетермик» разработала сдвоенные ИЕ, мощность которых в настоящее время достигает 2000 кВт. Подобные разработки в те

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

же годы выполнены и во ВНИИЭТО. В разработках ИКП различных типов активно участвовали Н. В. Веселовский, Э. П. Леонова, М. Я. Столов и др.

В 1980-е гг. развитие ИКП в нашей стране и за рубежом было направлено на увеличение областей применения и расширение технологических возможностей, например применение ИКП для получения труб из цветных металлов методом вытягивания из расплава.

Индукционные тигельные печи. Так как индукционные тигельные пе-чи (ИТП) малой емкости могут эффективно работать только на частотах выше 50 Гц, то их создание сдерживалось из-за отсутствия соответствующих источников питания – преобразователей частоты. Тем не менее в 1905–1906 гг. ряд фирм и изобретателей предложили и запатентовали ИТП, к ним относятся фирма «Шнейдер – Крезо» (Франция), О. Цандер (Швеция), Герден (Англия). В это же время конструкцию ИТП разработал А. Н. Лодыгин (Россия).

Первую промышленную ИТП с искровым высокочастотным генератором разработал в 1916 г. Э. Ф. Нортруп (США). С 1920 г. эти печи стала выпускать фирма «Аякс электротермия»). В это же время ИТП с питанием от вращающегося искрового разрядника разрабатывает Ж. Рибо (Франция). Фирма «Метрополитен Виккерс» создала ИТП высокой и промышленной частоты. Вместо искровых генераторов использовались машинные преобразователи с частотой до 3000 Гц и мощностью 150 кВ·А.

В. П. Вологдин в 1930–1932 гг. создал промышленные ИТП емкостью 10 и 200 кг с питанием от машинного преобразователя частоты. В 1937 г. он же построил ИТП с питанием от лампового генератора. В 1936 г. А. В. Донской разработал универсальную индукционную печь с ламповым генератором мощностью 60 кВ·А.

В1938 г. для питания ИТП (мощность – 300 кВт, частота – 1000 Гц) фирма «Броун Бовери» использовала инвертор на многоанодном ртутном вентиле. С 1960-х гг. стали использоваться тиристорные инверторы для питания индукционных установок. С увеличением емкости ИТП стало возможным эффективное применение питания током промышленной частоты.

В1940–1960-х гг. ОКБ «Электропечь» разработало несколько типов ИТП: повышенной частоты для плавки алюминия емкостью 6 т (1959), чугуна емкостью 1 т (1966). В 1980 г. на заводе в г. Баку изготовлена печь емкостью 60 т для плавки чугуна (разработка ВНИИЭТО по лицензии фирмы «Броун Бовери»). Большой вклад в разработку ИТП во ВНИИЭТО внесли Э. П. Леонова, В. И. Кризенталь, А. А. Простяков и др.

В1973 г. фирма «Аякс магнетермик» совместно с исследовательской лабораторией фирмы «Дженерал моторс» разработала и ввела в эксплуатацию горизонтальную тигельную печь непрерывного действия для плавки чугуна емкостью 12 т и мощностью 11 МВт.

Специальные виды индукционной плавки металлов стали разви-

ваться начиная с 1950-х гг.: вакуумная в керамическом тигле;

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

вакуумная в гарнисаже; вакуумная в холодном тигле; в электромагнитном тигле; во взвешенном состоянии;

с использованием комбинированного нагрева.

Вакуумные индукционные печи (ВИП) до 1940 г. применялись только в лабораторных условиях. В 1950-х гг. некоторые фирмы, в частности «Хереус», стали разрабатывать промышленные ВИП, единичная емкость кото-

рых стала быстро возрастать: 1958 г. – 1–3 т, 1961 г. – 5 т, 1964 г. – 15–27 т, 1970 г. – 60 т.

В1947 г. МосЗЭТО изготовил первую вакуумную печь емкостью 50 кг,

ас 1949 г. начал серийное производство ВИП емкостью 100 кг. В середине 1980-х гг. производственное объединение «Сибэлектротерм» по разработкам

ВНИИЭТО изготавливало модернизированные ВИП емкостью 160, 600 и 2500 кг для плавки специальных сталей.

Индукционная плавка химически активных сплавов в гарнисажных печах и печах с медным водоохлаждаемым (холодным) тиглем стала применяться в 1950-х гг. Печь с порошкообразным гарнисажем была разработана Н. П. Глухановым, Р. П. Жежериным и др. в 1954 г., а печь с монолитным гарнисажем – М. Г. Коганом в 1967 г.

Идея индукционной плавки в холодном тигле была предложена еще

в1926 г. в Германии фирмой «Сименс – Гальске», но применения не нашла.

В1958 г. в ИМЕТ совместно с ВНИИ токов высокой частоты им. В. П. Вологдина (ВНИИТВЧ) под руководством А. А. Фогеля проведены опыты по индукционной плавке титана в холодном тигле.

Стремление снизить загрязнение металла и тепловые потери в холодном тигле привели к использованию электромагнитных сил для отжатия металла от стенок, т. е. к созданию «электромагнитного тигля» (Л. Л. Тир, ВНИИЭТО, 1962).

Плавка металлов во взвешенном состоянии для получения особо чистых металлов была предложена в Германии (О. Мук) еще в 1923 г., но не получила распространения из-за отсутствия источников питания. В 1950-е гг. этот метод начал развиваться во многих странах. В СССР много работали в этом направлении сотрудники ВНИИТВЧ под руководством А. А. Фогеля.

Плавильные ИКП и ИТП комбинированного нагрева стали применяться с 1950-х гг. вначале с использованием мазутных и газовых горелок, например ИКП для переплава алюминиевой стружки (Италия) и ИТП для чугуна (Япония). Позднее получили распространение плазменно-индукционные тигельные печи, например разработанная ВНИИЭТО в 1985 г. серия опытнопромышленных печей емкостью 0,16–1,0 т.

Установки индукционной поверхностной закалки. Первые опыты по индукционной поверхностной закалке были проведены в 1925 г. В. П. Вологдиным по инициативе инженера Путиловского завода Н. М. Беляева. Опыты были признаны неудачными, так как в то время стремились к сквоз-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

ной закалке. В 1930-х гг. В. П. Вологдин и Б. Я. Романов возобновили эти работы и в 1935 г. получили патенты на закалку с использованием токов высокой частоты. В 1936 г. В. П. Вологдин и А. А. Фогель получили патент на индуктор для закалки шестерен. Творческий коллектив во главе с В. П. Вологдиным разрабатывал все элементы закалочной установки: вращающийся преобразователь частоты, индукторы и трансформаторы.

С 1936 г. Г. И. Бабат и М. Г. Лозинский на заводе «Светлана» (Ленинград) исследовали процесс индукционной закалки с использованием высоких частот при питании от лампового генератора. С 1932 г. закалка током средней частоты стала внедряться фирмой ТОККО (США).

В Германии в 1939 г. Г. В. Зойлен осуществил поверхностную закалку коленчатых валов на заводах фирмы АЕF. В 1943 г. К. Кегель предложил специальную форму индуктирующего провода для закалки зубчатого колеса.

Широкое применение поверхностной закалки началось с конца 1940-х гг. С 1947 по 1975 г. ВНИИТВЧ разработал свыше 300 закалочных устройств, в том числе введены в эксплуатацию автоматическая линия для закалки коленчатых валов и установка для закалки железнодорожных рельсов по всей длине (1965). В 1961 г. пущена первая установка для закалки шестерен из стали пониженной прокаливаемости на автозаводе им. И. А. Лихачева (ЗИЛ) (технология разработана К. З. Шепеляковским).

Одним из направлений развития индукционной термообработки в последние годы стали технологии закалки и отпуска труб нефтяного сортамента и газопроводных труб большого диаметра (820–1220 мм), строительных арматурных стержней, а также упрочнения железнодорожных рельсов.

Установки сквозного нагрева. Применение индукционного нагрева металлов для различных целей, кроме плавки, на первом этапе носило поисковый характер. В 1918 г. М. А. Бонч-Бруевич, а затем и В. П. Вологдин применили для нагрева анодов электронных ламп при их вакуумировании (дегазации) токи высокой частоты. В конце 1930-х гг. в лаборатории завода «Светлана» проводились опыты по использованию индукционного нагрева до температуры 800–900 °С при обработке стального вала диаметром 170 и длиной 800 мм на токарном станке. Использовался ламповый генератор мощностью 300 кВт и частотой 100–200 кГц.

С 1946 г. в СССР начались работы по использованию индукционного нагрева при обработке давлением. В 1949 г. введен в эксплуатацию первый кузнечный нагреватель на ЗИСе (ЗИЛе). Эксплуатация первой индукционной кузницы начата на Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позднее АЗЛК) в 1952 г.

Интересная двухчастотная установка (60 и 540 Гц) для нагрева стальных заготовок (сечение – квадрат 160×160 мм) под обработку давлением была запущена в Канаде в 1956 г. Подобная установка была разработана в ВНИИТВЧ в 1959 г. Промышленная частота используется при этом для нагрева до точки Кюри.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Для прокатного производства в 1963 г. ВНИИТВЧ изготовил нагреватель слябов (габариты 2,5×0,38×1,2 м) мощностью 2000 кВт на частоту 50 Гц.

В1969 г. на металлургическом заводе фирмы «Маклаут стил корп.» (США) применен индукционный нагрев стальных слябов массой около 30 т (габариты 7,9×0,3×1,5 м) с использованием шести технологических линий (18 индукторов промышленной частоты общей мощностью 210 МВт).

Индукторы имели специальную форму, обеспечивавшую равномерность нагрева сляба. Работы по применению индукционного нагрева в металлургии велись также во ВНИИЭТО (П. М. Чайкин, С. А. Яицков, А. Э. Эрман).

Вконце 1980-х гг. в СССР индукционный нагрев использовался приблизительно в 60 кузнечных цехах (прежде всего на заводах автотракторной

иоборонной промышленности) с общей мощностью индукционных нагревателей до 1 млн. кВт.

Низкотемпературный нагрев на промышленной частоте. В 1927– 1930 гг. на одном из уральских оборонных заводов начались работы по индукционному нагреву на промышленной частоте (Н. М. Родигин). В 1939 г. там с успехом работали достаточно мощные индукционные нагревательные установки для термообработки изделий из легированной стали.

В ЦНИИТмаше (В. В. Александров) также проводились работы по применению промышленной частоты для термообработки, нагрева под посадку и т. д. Ряд работ по низкотемпературному нагреву выполнен под руко- вод-ством А. В. Донского. В НИИжелезобетона (НИИЖБ), Фрунзенском политехническом институте и других организациях в 1960–1970-х гг. проводились работы по термообработке железобетонных изделий с использованием индукционного нагрева на частоте 50 Гц. ВНИИЭТО также разработал ряд промышленных установок низкотемпературного нагрева для подобных целей. Разработки МЭИ (А. Б. Кувалдин) в области индукционного нагрева ферромагнитной стали в 1970–1980-е гг. были использованы в установках для подогрева деталей под наплавку, термообработки стали и железобетона, обогрева химических реакторов, пресс-форм и др.

Высокочастотная зонная плавка полупроводников. Метод зонной плавки был предложен в 1952 г. (В. Г. Пфанн, США). Работы по высокочастотной бестигельной зонной плавке в нашей стране начались в 1956 г., и во ВНИИТВЧ был получен монокристалл кремния диаметром 18 мм. Созданы различные модификации установок типа «Кристалл» с индуктором внутри вакуумной камеры (Ю. Э. Недзвецкий). В 1950-е гг. изготовление установок для вертикальной бестигельной зонной плавки кремния с индуктором снаружи вакуумной камеры (кварцевой трубы) осуществлялось на заводе «Платиноприбор» (Москва) совместно с Государственным институтом редких металлов (Гиредмет). Начало серийного производства установок «Кристалл» для выращивания монокристаллов кремния относится к 1962 г. (на Таганрог-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

ском ЗЭТО). Диаметр получаемых монокристаллов достиг 45 мм (1971), а позднее и свыше 100 мм (1985).

Высокочастотная плавка оксидов. В начале 1960-х гг. Ф. К. Монфорт

(США) провел плавку оксидов в индукционной печи (выращивание монокристаллов ферритов при использовании токов высокой частоты – радиочастот). Тогда же А. Т. Чэпмен и Г. В. Кларк (США) предложили технологию переплавления поликристаллического оксидного блока в холодном тигле. В 1965 г. Ж. Рибо (Франция) получил расплавы оксидов урана, тория и циркония при использовании радиочастот. Плавка этих оксидов происходит при высоких температурах (1700–3250 °С), поэтому требуется большая мощность источника питания.

В СССР технология высокочастотной плавки оксидов разработана

вФизическом институте АН СССР (А. М. Прохоров, В. В. Осико). Оборудование разрабатывали ВНИИТВЧ и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ) (Ю. Б. Петров, А. С. Васильев, В. И. Добровольская). Созданные ими установки «Кристалл» в 1990 г. имели общую мощность свыше 10 000 кВт, на них производились сотни тонн оксидов высокой степени чистоты

вгод.

Высокочастотный нагрев плазмы. Явление высокочастотного разряда в газе известно с 80-х гг. XIX в. В 1926–1927 гг. Дж. Дж. Томсон (Англия) показал, что безэлектродный разряд в газе создается индуцированными токами, а Дж. Таунсенд (Англия, 1928) объяснял разряд в газе действием электрического поля. Все эти исследования проводились при пониженных давлениях.

В1940–1941 гг. Г. И. Бабат на заводе «Светлана» при дегазации электронных ламп с использованием высокочастотного нагрева наблюдал плазменный разряд, а затем впервые получил такой разряд при атмосферном давлении.

В50-е гг. прошлого века в разных странах проводились работы по высокочастотной плазме (Т. Б. Рид, Ж. Рибо, Г. Баркхофф и др.). В СССР они велись с конца 1950-х гг. в Ленинградском политехническом институте (А. В. Донской, С. В. Дресвин), МЭИ (М. Я. Смелянский, С. В. Кононов), ВНИТВЧ (И. П. Дашкевич) и др. Исследовались разряды в различных газах, конструкции плазмотронов и технологии с их использованием. Были созданы высокочастотные плазмотроны с кварцевой и с металлической (для мощностей до 100 кВт) водоохлаждаемой (1963) камерами.

В1980-х гг. высокочастотные плазмотроны мощностью до 1000 кВт на частоты 60 кГц – 60 МГц применялись для получения особо чистого кварцевого стекла, пигментного диоксида титана, новых материалов (например, нитридов и карбидов), особо чистых ультрадисперсных порошков и разложения отравляющих веществ.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

5.1.2.4.Диэлектрическийнагрев

Начальный период. Впервые эффект нагрева диэлектрика в переменном электромагнитном поле зафиксировал в 1864 г. Э. В. Сименс (Германия), затем в 1886 г. И. И. Боргман (Россия) – исследовался нагрев стеклянной стенки конденсатора (лейденской банки) при заряде и разряде [33].

Диэлектрический нагрев первоначально нашел применение в медицине. В 1891 г. Ж. А. д’Арсонваль (Франция) обнаружил термическое воздействие переменного электромагнитного поля на человека. Р. фон Зейнек (Германия) в 1899 г. открыл возможность использования электромагнитных полей частотой свыше 200 кГц для нагрева тканей тела и лечения. С 1906 г. использование диатермии стало быстро распространяться, и до настоящего времени диэлектрический нагрев широко используется для физиотерапии.

В1925 г. А. Эсау (Франция) заметил, что передатчик большой мощности метрового диапазона, т. е. сверхвысокочастотные (СВЧ) волны, вызывал ощущение нагрева у персонала, и предложил использовать СВЧ-волны для терапии. Совместно с Е. Шлипхаке он провел испытания на животных и людях.

В1930 г. И. Петцольд (Германия) исследовал влияние частоты на глубину прогрева.

Диэлектрический нагрев нашел широкое применение, несмотря на сложность и высокую стоимость оборудования, так как позволяет нагревать непроводящие однородные материалы с высокой скоростью и равномерностью, а неоднородные материалы – избирательно, например, при сушке или склеивании.

Диэлектрический нагрев токами высокой частоты. В 1930–1934 гг.

началась разработка технологии сушки древесины токами высокой частоты (Н. С. Селюгин, Ленинградский филиал ЦНИИ механической обработки древесины). В это же время А. И. Иоффе получил авторское свидетельство на высокочастотную сушку (ВЧ-сушку) древесины. Одно из первых применений – сушка березовых и буковых заготовок на обувной фабрике «Скороход» (Ленинград). Позднее диэлектрический нагрев стал применяться и в других странах (Франция, США, Германия).

В1933 г. Центральная научно-исследовательская лаборатория электромагнитных волн исследовала сушку и стерилизацию фруктов (внедрение в гг. Тирасполе и Краснодаре, 1938–1940). В 1937 г. П. П. Тарутин (ВНИИзерна) изучал ВЧ-сушку и уничтожение вредителей зерна с применением токов высокой частоты.

ВСША в 40-е гг. ХХ в. развиваются высокочастотный нагрев пластмасс, склеивание древесины и фанеры. Во Франции А. Эсау разрабатывает ВЧ-сушку текстиля и продуктов питания, склеивание древесины и нагрев пластмасс перед прессованием, М. Дескарсин (1946) – нагрев керамики, Ледюк и Дюфур – вулканизацию каучука.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

ВСССР в 1940-е гг. продолжались работы по диэлектрическому нагреву. С 1941 г. началось промышленное применение ВЧ-сушки древесины.

ВВЭИ исследуют получение с применением диэлектрического нагрева пресс-порошков (Н. В. Александров и В. М. Дегтев) и электроизоляционных материалов (Л. С. Левин), а в НИИ шинной промышленности (Х. Э. Малкина

иА. П. Пухов) – вулканизацию массивных шин.

На развитие техники диэлектрического нагрева большое влияние оказали работы А. В. Нетушила, особенно выпущенная под его редакцией монография «Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников»

(1959).

Большой вклад в промышленное применение диэлектрического нагрева внес ВНИИТВЧ (А. А. Фрумкин, А. В. Дмитриев, Т. А. Шелина):

серийное производство установок для нагрева таблеток пресспорошков (1949);

внедрение высокочастотной сушки пряжи на фабрике им. А. И. Желябова (Ленинград, 1953);

начало серийного производства на ЛЗВУ (Ленинградском заводе высокочастотных установок) установок для сварки термопластов (1956);

серийное производство установок для склеивания древесины (1962); начало опытной эксплуатации конвейерной установки для высокочас-

тотной сушки литейных стержней на Минском тракторном заводе (1969); серийное производство конвейерных высокочастотных установок (1971); введение линии для получения пенополистирольной теплоизоляции для

холодильников в г. Ереване (1972).

На начало 1966 г. в СССР было изготовлено свыше 12 тыс. высокочастотных установок для диэлектрического нагрева общей колебательной мощностью около 30 МВт. Единичные мощности установок диэлектрического нагрева непрерывно возрастали от единиц до сотен киловатт.

В 1980-е гг. ВНИИТВЧ разработал высокочастотные установки диэлектрического нагрева периодического действия для сушки различных материалов с питанием от лампового генератора мощностью 60 кВт и частотой 13,56 МГц с использованием для перемещения материала вращающегося кольцевого дна из фторопласта или ленточного транспортера из металической сетки. Были разработаны также технологические процессы и оборудование для диэлектрического нагрева пористых материалов (пенополистирола, пенополиэтилена, пористых резин) и высокочастотной сварки термопластичных материалов (полихлорвинилов, полистирола, полиакрилатов, искусственных кож).

Нагрев на сверхвысоких частотах (микроволновый нагрев). Нагрев на сверхвысоких частотах (СВЧ) стал применяться после изобретения магнетрона в 1940-х гг. В США в 1947 г. появилась первая СВЧ-плита «Радарэндж» с рабочей частотой 2400 МГц (длина волны – 12,5 см). Она была установлена в вагоне-ресторане и предназначалась для размораживания и подогрева предварительно приготовленных и замороженных блюд. В начале

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

1970-х гг. в США использовалось около 2 млн. бытовых микроволновых печей, в Японии – около 500 тыс.

С 1961 г. в Москве на Выставке достижений народного хозяйства (ВДНХ) демонстрировалась печь, созданная ВНИИТВЧ. Ленинградский завод торгового машиностроения изготовил опытно-промышленную серию подобных печей с использованием магнетронов непрерывного действия мощностями 600 и 1600 Вт.

Вначале 1960-х гг. проводились опытные работы по промышленному применению нагрева на сверхвысоких частотах, в частности для разрушения горных пород (США, Япония) и получения плазменного факела (США, ФРГ).

Унас в стране работы по измельчению твердых горных пород проводил в 60- х гг. прошлого века Институт горного дела им. А. А. Скачинского, но из-за экономических показателей этот способ оказался неконкурентоспособным.

Вконце 1980-х гг. фирма «Линн» (Австрия) разработала высокотемпературную СВЧ-установку для спекания оксидов (температура – до 2000 °С),

вкоторой использованы футеровка и водоохлаждение резонатора.

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

5.1.2.5. Плазменныйнагрев

Начальный период. Начало работ по плазменному нагреву относится к 20-м гг. XX в. Термин «плазма» ввел И. Ленгмюр (США), а понятие «квазинейтральная» – В. Шоттки (Германия). В 1922 г. X. Гердиен и А. Лотц (Германия) провели опыты с плазмой, полученной при интенсивном охлаждении электрической дуги путем применения металлической диафрагмы и тангенциальной подачи воды. Затем в течение ряда лет проводились исследования физических свойств электрической дуги и плазмы, и только в 1950-х гг. начались разработки промышленных плазмотронов и плазменных технологических процессов [15].

Дуговые плазмотроны. В 1954 г. Т. Петере (США) создал плазмотрон, представляющий собой камеру, в которой дуга горит в парах воды при давлении до 500 МПа (рис. 5.5). На выходе из сопла получены высокие сверхзвуковые скорости плазмы.

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

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

ВСССР развитие плазменного нагрева началось в конце 50-х – начале 60-х гг. прошлого века. Под руководством М. Я. Смелянского работы по применению плазменного нагрева велись на кафедре электротермических установок МЭИ. Во ВНИИЭТО (Н. И. Бортничук, В. А. Хотин) в 1961 г. была запущена первая плазменная печь – стенд мощностью 30 кВт, а затем создана лабораторная плазменная печь для плавки сталей и тугоплавких металлов (1965).

В1970 г. пущена в эксплуатацию плазменная печь для плавки стали в керамическом тигле емкостью 3,5 т (Челя-

бинск) и созданы дуговые плазмотроны и источники питания для плавильных печей на токи 1, 3 и 6 кА.

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

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

В1960-х гг. фирма «Линде» (США) разработала конструкцию плаз- менно-дуговой сталеплавильной печи с керамическим тиглем и тремя плазмотронами. Подобные установки разрабатывали также фирмы Англии, Японии и ГДР.

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

Фирма «Дайдо Стил» (Япония, 1969) ввела в эксплуатацию индукци-

онно-плазменную печь емкостью 500 кг, общей мощностью около 400 кВт, из которых 200 кВт за счет индуктора и 200 кВт – плазмотрона постоянного тока с использованием аргона. В нашей стране индукционно-плазменные пе-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

чи разрабатывал ВНИИЭТО. Основная энергия в металл передается индукционным методом. Плазмотрон позволяет интенсифицировать процесс расплавления шихты, а при рафинировании расплавленного металла – подогревать шлак.

Вначале 1970-х гг. в разных странах (Япония, СССР и др.) стали разрабатываться плазмотроны с полым катодом, работающие при давлениях 1–100 Па. По сравнению с электронно-лучевыми установками в них снижается испарение металла и легирующих добавок. Фирма «Ульвак» (Япония) создала плазменную вакуумную установку мощностью 2400 кВт для переплава титановой губки и титановых отходов. Установки такого типа разрабатывались также в СССР – во ВНИИЭТО и МЭИ.

Вначале 1970-х гг. работали промышленные установки для крекинга метана мощностью 6–8 МВт (фирма «Хюльс», ФРГ) и 25 МВт («Вестингауз», США).

Шведская фирма «СКФ стил дивизион» в конце 1970-х гг. разработала новые плазменные процессы прямого восстановления железа, получения чугуна при усовершенствованной доменной плавке и извлечения металлов из улавливаемой пыли прокатного производства.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) плазмотроны. В начале 70-х гг. ХХ в.

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

5.1.2.6. Электронно-лучевойнагрев

Начальный период. Техника электронно-лучевого нагрева (плавка

ирафинирование металлов, размерная обработка, сварка, термообработка, нанесение покрытий испарением, декоративная обработка поверхности) создана на основе достижений физики, электроники, электронной оптики и вакуумной техники [15, 36].

После открытия электрона и измерения отношения его заряда к массе началось широкое изучение свойств электронных потоков, их получения

ивзаимодействия с электрическими и магнитными полями. Электронный микроскоп был создан трудами ряда ученых, в том числе Н. Руска, М. фон Арденна (Германия), В. К. Зворыкина (США) в 20–30-х гг. ХХ в. В нем применялись электронные пушки небольшой мощности с малыми токами и большими разгоняющими напряжениями. Тогда же были разработаны электростатические и магнитные системы управления электронным лучом.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

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

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

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

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

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

В1979 г. советскими космонавтами в космических условиях успешно испытана экспериментальная аппаратура «Испаритель» с применением элек- тронно-лучевого нагрева. В перспективе возможно создание металлических покрытий (защитных, отражающих и др.) на конструкциях непосредственно

вкосмическом пространстве, т. е. с использованием космического вакуума.

Плавка тугоплавких металлов. В конце 50-х гг. ХХ в. в США ряд фирм, в том числе и «Темескал металлургикал», разработали оборудование для получения ниобия, тантала, молибдена и других тугоплавких металлов высокой чистоты. В 1959 г. появилась публикация данных о печи фирмы «Темескал металлургикал», позволяющей выплавлять слитки тугоплавких металлов массой до 90 кг с двумя электронными пушками для плавления шихты и подогрева металла в кристаллизаторе. При плавке ниобия скорость плавления достигала 110 кг/ч при расходе энергии 1100 кВт·ч/т. Мощность установки – 225 кВт. К 1970 г. в различных странах имелось более 100 элек- тронно-лучевых плавильных печей мощностью до 1200 кВт, выплавлявших слитки массой до 12 т.

Уже в 1960-х гг. прорабатывались конструкции ЭЛУ с кольцевым катодом или тремя аксиальными пушками для вертикальной зонной плавки с целью получения монокристаллов тугоплавких металлов. Такие работы проводились в Институте металлургии им. А. А. Байкова АН СССР. В 1967 г.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

вСША эта же технология использовалась для получения монокристаллов кремния.

Важная проблема утилизации отходов титана также была решена с использованием ЭЛУ. Фирма «Эйрко Темескал» (США, 1977 г.) проводила плавку стружки сплава титана в установке с шестью пушками общей мощностью 1200 кВт. Качество полученного слитка оказалось выше, чем при ваку- умно-дуговом переплаве.

Японская фирма «Джапан электрон оптике лаб. корп.» в конце 60-х – начале 70-х гг. прошлого века выпускала плавильные ЭЛУ для переплава первичных слитков и сыпучей шихты. Подобные же установки выпускались

внашей стране по разработке ИЭС им. Е. О. Патона и в ГДР по разработке М. фон Арденне.

Для рафинирования стали при разливке электронно-лучевые установки используются с 1963 г., когда в США впервые была продемонстрирована опытная установка. Для холодноподового рафинирования применяют каскады камер с несколькими электронно-лучевыми пушками (до 18), при этом увеличивается обрабатываемая поверхность расплава.

ВСССР плавильные электронно-лучевые печи, разработанные ВНИИЭТО, стали внедряться в 1970-е гг.: в 1977 г. осуществлен пуск в промышленную эксплуатацию ЭЛУ емкостью 1 т на Узбекском комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов, в 1980 г. на Новосибирском ЗЭТО изготовлена ЭЛУ для получения слитков массой 30 т.

Термообработка металлов. Для получения порошков тугоплавких металлов (с последующим изготовлением деталей горячим прессованием) методом центробежного распыления вращающейся оплавляемой заготовки

в70-х гг. ХХ в. начал использоваться электронно-лучевой нагрев (США, ФРГ, СССР).

Электронно-лучевой нагрев позволяет реализовать технологические процессы поверхностной закалки и оплавления поверхности деталей. Для деталей сложной формы и больших габаритов электронно-лучевая закалка имеет преимущества по сравнению с индукционной закалкой. Оплавление поверхности деталей позволяет улучшить механические характеристики деталей из сталей, чугунов и алюминия.

С1961 г. фирма «Темескал» (США) эксплуатирует установку с плосколучевой пушкой для рекристаллизационного отжига металлической ленты

ввакууме. Подобную установку разработала также фирма «Дегусса» (ФРГ). Изготовленная в ГДР установка для термообработки ленты была оснащена аксиальной пушкой с системой управления перемещением электронного луча.

Размерная обработка материалов. В 1938 г. электронный луч был использован для получения мельчайших отверстий в металле (использовался

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

электронный микроскоп). С помощью ЭЛУ в обрабатываемом изделии можно получать отверстия заданного диаметра и пазы различной формы и глубины в твердых и тугоплавких материалах. В таких установках используют аксиальные пушки на рабочее напряжение 60–150 кВ. Мощности установок в непрерывном режиме – 1 кВт, в импульсном режиме – до 15 кВт. В 1953 г. такие установки выпускала фирма «Штайгервальд Штальтехник» (ФРГ) для сверления и перфорации металлических листов. Фирма «Ролле Ройс» (Великобритания) использовала ЭЛУ в производстве газотурбинных двигателей

ибарабанов центрифуг.

ВСША в 1970-х гг. ЭЛУ использовалась для микрообработки полупроводниковых приборов. Промышленные установки для размерной обработки электронным лучом выпускались также в Японии, ГДР и других странах.

Внашей стране в 1980-е гг. для электронно-лучевой обработки выпускались специализированные промышленные установки типов А 306 и ЭЛУРО мощностью до 100 кВт, оборудованные системой перемещения заготовки.

5.1.2.7. Лазерныйнагрев

Начальный период. Лазер (сокращение английского Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) создан во второй половине XX в.

и нашел определенное применение в электротехнологии [15].

Идею процесса вынужденного излучения высказал еще А. Эйнштейн в 1916 г. В 1940-х гг. В. А. Фабрикант (МЭИ) впервые экспериментально подтвердил возможность усиления света и получил диплом СССР на открытие (1951), Н. Г. Басов, А. М. Прохоров (СССР), Ч. Х. Таунс (США) получили Нобелевскую премию (1964) за работы по квантовой электронике.

Первые лазеры создали:

Т. Х. Майман (США, 1960) – импульсный твердотельный лазер (на рубине);

А. Яван, В. Р. Беннет, Д. Р. Херриот (США, 1961) – непрерывно работающий гелиево-неоновый лазер;

Р. Н. Холл, М. Дж. Натан, Т. М. Квист (США, 1962) – лазер на арсениде галлия;

С. Пател (США, 1964) – лазер на углекислом газе.

В 1990-х гг. известны уже около 200 рабочих тел для получения лазерного излучения, однако для электротехнологии наиболее часто применяют лазеры на углекислом газе, позволяющие получить наибольшие значения мощности и КПД, и твердотельные (рубиновые), имеющие меньшие габариты и удобные в эксплуатации.

Плотность потока энергии в лазерном луче достигает весьма высоких значений (до 1·1013 Вт/м²), чем главным образом и определяются технологические возможности лазерного нагрева.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Технологическое применение. Разработки лазерного оружия для «звездных войн» начались в США с начала 60-х гг. ХХ в., когда около 40 фирм получили правительственные заказы. С 1962 г. практически одновременно во всем мире началось технологическое применение лазеров: изготовление мельчайших отверстий, резка, сварка, поверхностная закалка. Фирма «Дженерал электрик» создала установку с использованием рубинового лазера для получения отверстий диаметром 0,5 мм в алмазе за 0,2 мс.

Первым процессом, внедренным в промышленность, являлось упрочение картера рулевого управления автомобиля в отделении фирмы «Дженерал моторс» (США) в 1974 г., при этом использовался лазер на углекислом газе мощностью 1 кВт.

ВСССР первые лазерные технологические установки для поверхностной обработки были выпущены в 1964 г. на базе твердотельных лазеров типа «Квант» и газовых типа «Катунь», «Кардамон» и др. У первых установок

ствердотельными лазерами для поверхностной обработки производительность и размеры обрабатываемого изделия были невелики. Переход на газовые лазеры позволил обеспечить значительно большую производительность.

В1976 г. начались опытные работы по лазерному нагреву на ЗИЛе

сучастием МГУ им. М. В. Ломоносова и Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Е. П. Велихов). На предприятии запущена в производство автоматическая линия поверхностной лазерной обработки головок блоков цилиндров из алюминиевого сплава для двигателей внутреннего сгорания, внедрено упрочнение кромок вырубного пуансона, разработан процесс повышения износостойкости чугунного корпуса подшипника водяного насоса.

В1978 г. началось промышленное применение лазерного нагрева на АЗЛК (Москва). Разработаны технология и оборудование с использованием газового лазера «Кардамон» для упрочнения коробки дифференциала заднего моста легкового автомобиля.

С1964 г. лазерный луч нашел применение в биологии и медицине, например для приваривания сетчатой оболочки глаза.

Ссередины 1970-х гг. к работам по лазерному нагреву подключился ВНИИЭТО, где была создана лаборатория по использованию лазерного нагрева в промышленности.

5.1.3. Электрическаясварка

5.1.3.1. Электродуговаясварка

Электрическая дуговая сварка была изобретена в России. Н. Н. Бенардос 6 июля 1885 г. подал заявку и получил привилегию Департамента торговли и мануфактур № 11982 (1886) на способ «соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока» (рис. 5.7). Изобретение было запатентовано в Англии, Германии и некоторых других стра-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

нах, причем эти патенты получены Н. Н. Бенардосом совместно с петербургским купцом С. А. Ольшевским, который финансировал зарубежное патентование [15].

Работы были начаты в 1881 г., а в 1885 г. в Петербурге на набережной р. Большая Невка, д. 41, была открыта показательная мастерская, в которой проводились сварочные работы по этому способу. Н. Н. Бенардос разрабатывал также автоматизацию сварки, применение инертных газов при сварке, сварку на переменном токе, подводную сварку и др. К середине 90-х гг. XIX в. сварка по способу Н. Н. Бенардоса применялась более чем 100 заводами Западной Европы.

Рис. 5.7. Электрическая дуговая сварка по методу Н. Н. Бенардоса:

1 – угольный электрод; 2 – присадочный материал; 3 – свариваемые детали

Рис. 5.8. Электрическая дуговая сварка по методу Н. Г. Славянова: 1 – металлический электрод; 2 – свариваемые детали

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Н. Г. Славянов в 1888 г. предложил дуговую сварку с использованием расплавляемого электрода (рис. 5.8). Этот метод впервые был использован в том же году на Пермских казенных заводах при сварке вала паровой машины. В 1889 г. дуговая сварка по методу Славянова была использована на Пермских казенных заводах при строительстве парохода «Редедя князь Коссогский». В 1891 г. Н. Г. Славянов получил в Департаменте торговли и мануфактур привилегии № 8747 и 8748 на изобретения «электрической отливки металлов» и «электрического упрочнения металлов», а затем и патенты США

идругих стран. Им разрабатывались методы автоматического регулирования длины дуги, применения сварки под шлаком (использовалось дробленое стекло), использования предварительного подогрева свариваемых деталей, применения присадок ферросплавов для регулирования химического состава ванны и сварного шва.

В1905 г. В.Ф. Миткевич предложил использовать трехфазную дугу для сварки металлов.

Одна из проблем электрической сварки – защита расплавленного металла от окисления и повышение устойчивости горения дуги, особенно при использовании плавящегося электрода. О. Кьельберг (Швеция, 1907) предложил специальные покрытия для сварочных электродов, И. Ленгмюр (США, 1911) разработал процесс дуговой сварки в атмосфере водорода, а позднее

ис использованием других газов.

Параллельно с электрической сваркой развивалась и газовая сварка. Уже в 1902 г. А. Ле Шателье (Франция) применял кислородно-ацетиленовую сварку при ремонте паровых котлов. В 1903 г. Э. Фуше (Франция) получил патент на газовую сварочную горелку. Этот способ вскоре получил широкое распространение, что затормозило развитие электрической сварки. С 1908 г. на заводах Г. Форда (США) стали применять газовую сварку. Во всем мире, в том числе в России, газовая сварка стала применяться в различных отраслях промышленности.

В 1919 г. фирма «Дженерал электрик» изготовила первую автоматическую дуговую сварочную головку. Подача электродной проволоки осуществлялась электродвигателем постоянного тока, а ток к электроду подводился через ролик. Длина дуги контролировалась по напряжению. В СССР автоматическую подачу электрода разработал в 1924 г. Д. А. Дульчевский. Он же применял угольный порошок при сварке меди для защиты от окисления.

Завод «Электрик» (Ленинград) внес значительный вклад в развитие электросварки в нашей стране. Под руководством В. П. Никитина в 1924 г. были созданы первая электросварочная машина постоянного тока типа СМ-1 и сварочный трансформатор со встроенным регулятором типа СТН. В 1926 г. начался выпуск машин для контактной сварки. В 1932–1933 гг. началось производство оборудования для автоматической дуговой и аргоноводородной сварки, был осуществлен выпуск первой в мире сварочной автоматической установки на переменном токе. В 1934 г. выпущен передвижной элек-

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

тросварочный агрегат типа САК-2, состоящий из бензинового двигателя Горьковского автозавода и сварочного генератора, смонтированных на общей раме. В 1947 г. начался серийный выпуск универсальных сварочных автоматов тракторного типа АДС-1000-1.

Первые применения сварки:

в 1929 г. Николаевский судостроительный завод применяет дуговую сварку днищевых балок танкеров, а позднее и судовых трубопроводов;

с 1931 г. в г. Магнитогорске при строительстве домны началось использование электрической сварки вместо клепки (разрешение на сварку дал И. П. Бардин вопреки мнению американских специалистов, консультировавших строительство); при строительстве завода «Уралмаш» с помощью электрической сварки изготовили подкрановые балки пролетом 10 м; началось внедрение дуговой сварки в мостостроение (Г. А. Николаев); на Западной железной дороге было установлено первое сварное пролетное строение длиной 19,8, а несколько позднее, в 1934 г., на заводе «Стальмост» в г. Днепропетровске – цельносварное пролетное строение длиной 45 м; в те же годы изготовлены сварной мост (42 м) через водопад Челоне в США и однопролетный сварной мост решетчато-ферменного типа длиной 49,2 и шириной 8,25 м в г. Пльзень (Чехословакия).

В начале 1930-х гг. Е. О. Патон создал лабораторию электросварки, которая с 1934 г. реорганизована в Институт электросварки (с 1953 г. ИЭС им. Е. О. Патона), который занял ведущее положение в развитии сварочной техники и технологии. К числу важнейших разработок ИЭС относятся:

высокопроизводительный способ автоматической дуговой электросварки под слоем флюса (1941);

конструкция сварочной головки с постоянной скоростью подачи элек-

трода (1942);

новый способ полуавтоматической шланговой сварки (1944); мощный трансформатор СТ-1000 с дистанционным управлением для

автоматической сварки под флюсом (1947); метод двухдуговой электросварки на больших скоростях (1949–1950);

полуавтомат для подводной сварки (1970-е гг.).

Интересные результаты были получены и в других организациях: сварка меди под флюсом разрабатывалась Д. А. Дульчевским в начале

1920-х гг.;

К. К. Хренов разработал процесс ручной сварки под водой (1932) и предложил сварочный трансформатор с поворотным верхним ярмом типа СТХ (1934);

сварочная лаборатория МВТУ им. Н. Э. Баумана разработала способ автоматической дуговой сварки с подачей в дугу гранулированного флюса

(1934);

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

в1946 г. В. П. Никитин создал новый трансформатор типа СТАН компактной конструкции и небольшой массы с тремя ступенями регулирования сварочного тока, предназначенный для монтажных работ;

в1949 г. Подольский завод им. С. Орджоникидзе разработал и освоил процесс сварки нефтеаппаратуры из нержавеющей стали;

сотрудниками ЦНИИТмаша создана усовершенствованная аппаратура для автоматизации дуговой электросварки (1951) и совместно с ИЭС разработана и внедрена серия флюсов для автоматической сварки (1952);

вначале 1950-х гг. во ВНИИавтогене проводились работы по дуговой сварке меди и ее сплавов на постоянном токе прямой полярности в атмосферах аргона и азота;

технология сварки в атмосфере углекислого газа разработана в ЦНИИТмаше в 1950-е гг. под руководством К. В. Любавского.

5.1.3.2. Электроконтактнаясварка

Сварка за счет резистивного нагрева (контактная) подразделяется на точечную, шовную и стыковую.

Е. Томсон (США, 1886), автор почти 700 изобретений, получил патент на электрическую сварку металлических стержней и проводов. Всего им и его сотрудниками получено 150 патентов, относящихся к контактной сварке. В 1892 г. в США на фирме «Джонсон» впервые были сварены способом стыковой сварки железнодорожные рельсы. Н. Н. Бенардос (1887) изобрел способ точечной и роликовой контактной сварки [15].

Контактная сварка стала развиваться несколько позднее, чем дуговая, так как ее применение целесообразно при выпуске крупносерийной продукции, например в автомобильной промышленности.

Машины для контактной сварки стали изготавливаться заводом «Электрик» с 1926 г. Первые машины для стыковой и шовной сварки были изготовлены в 1929 г. До 1935 г. завод «Электрик» изготовил 3821 машину для контактной сварки, в том числе 2625 для точечной, 1036 для стыковой и 160 для шовной. Это были в основном универсальные машины малой мощности (до 100 кВ · А), а в дальнейшем для контактной сварки стали изготавливаться машины мощностью 500–1000 кВ·А. На Московском автозаводе (позднее ЗИС и ЗИЛ) контактная сварка применялась с 1930 г. После расширения завода (1935) на нем стали применяться более производительные машины – многоточечные (до 20 точек) мощностями до 250 кВ · А, а парк машин был значительно увеличен.

В годы Великой Отечественной войны ЦНИИТмаш разработал установку для контактной сварки рельсов в условиях работы с платформы. Машины типа РКСМ мощностью 250 и 320 кВ · А для контактной стыковой сварки рельсов производительностью 13–15 сварок в час выпускались на заводе «Ревтруд». В МВТУ им. Н. Э. Баумана (Г. А. Николаев, К. К. Хренов)

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

выполнены работы по электродным покрытиям, технологии сварки при производстве вооружения и др.

В послевоенные годы продолжилось развитие контактной сварки: 1949 г. – были осуществлены разработка и освоение многоточечных

сварочных автоматов последовательного действия на ЗИСе; 1953 г. – заводом «Электрик» в сотрудничестве с Секцией электросвар-

ки и электротермии АН СССР была изготовлена высокопроизводительная контактно-стыковая машина типа МСГ-500 для сварки стержней арматуры диаметром 50–100 мм.

5.1.3.3. Прочиевидыэлектросварки

Электрошлаковая сварка. Впервые оборудование и технология электрошлаковой сварки были разработаны в Институте электросварки АН УССР (Б. Е. Патон, Б. И. Медовар) в 50-х гг. прошлого века для сварки толстых листов и массивных изделий (от 30 до 2000 мм), например роторов турбин. На Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г. этот способ был удостоен высшей награды – «Гран-при» [15].

Высокочастотная (индукционная) сварка разрабатывалась в США,

Канаде, ФРГ, Франции, Англии в 1940-х гг. В СССР исследования в этой области были начаты в лаборатории В. П. Вологдина в 1944 г. А. А. Фогелем и продолжены А. Е. Слухоцким. Впервые высокочастотная сварка внедрена на заводе «Трубосталь» (Ленинград).

Всередине 1950-х гг. во ВНИИТВЧ под руководством В. Н. Богданова

иН. П. Глуханова были начаты работы по стыковой сварке труб с поперечным и продольным швом. С конца 1940-х гг. стала развиваться индукционная сварка труб из ленты. В этой области работали также ИЭС им. Е. О. Патона, Всесоюзный научно-исследовательский трубный институт (ВНИТИ), ВНИИметмаш, ВНИИЭСО и Московский трубный завод, заводы «Лентрубосталь», «Москабель». Агрегаты для сварки алюминиевых оболочек кабелей созданы и внедрены ВНИИТВЧ, ВНИИметмашем и заводом «Москабель»

(1963).

В1975 г. в СССР методом индукционной сварки ежегодно изготовлялось более 3 млн м сварных труб диаметром 10–530 мм с толщиной стенки 0,5–10 мм из углеродистых и нержавеющих сталей, сплавов алюминия, меди

ититана.

Разрабатывались различные конструктивные варианты индукционной сварки труб диаметром 159–219 мм:

охватывающим индуктором (фирма «Элфиак», Бельгия); с использованием скользящих контактов (фирма «Терматул», США);

охватывающим индуктором и с вращающимися контактами (Северский трубный завод, СССР);

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

свнутренним индуктором (Новомосковский трубный завод) для труб диаметром 273–530 мм.

Вконце 1980-х гг. ВНИИТВЧ и ВНИИЭСО разработали комплектные установки высокочастотной сварки на частоту 440 кГц мощностью от 160 до 1000 кВт и 10 кГц мощностью 1500 кВт.

Электронно-лучевая сварка. Первоначально применялась в атомном машиностроении, а затем при изготовлении особо ответственных деталей в авиа- и ракетостроении (например, сварка конструкций из титановых сплавов), в электронной промышленности.

Сварочные ЭЛУ нашли применение на автозаводах. Фирма «Лейбольд Хереус» (Германия) применяла ЭЛУ для сварки при изготовлении мостов задних осей грузовиков (середина 1960-х гг.). Сварка производилась при давлении 5 Па, время рабочего цикла, включая вакуумирование, – около 6 мин. С 1966 г. в Великобритании работает фирма «Электронное оборудование

ипроцессы», которая специализируется на электронно-лучевой сварке.

В1966 г. в мире насчитывалось около 1000 промышленных установок электронно-лучевой сварки. В 1975 г. их число достигло 2500, из которых 80 % работали в США и СССР.

В1970-х гг. была разработана технология применения местного вакуумирования, что позволило отказаться от использования крупных вакуумных камер. Ведущими в области применения ЭЛУ для сварки в локальном вакууме явились фирмы «Скияки» и «Ланжепин» (Франция). При этом способе накладная вакуумная камера располагается на свариваемом крупногабаритном изделии, а герметизация достигается с помощью специальных уплотнений. Фирма «Кавасаки Хиби индастер лтд.» (Япония) разработала оборудование для электронно-лучевой сварки крупногабаритных изделий с местным вакуумированием, например для сварки колец жесткости сферических резервуаров для морских перевозок сжиженного газа.

Особенно эффективна электронно-лучевая сварка толстых стальных листов, для чего обычно использовались пушки на напряжение 100 кВ и выше (Франция, ФРГ). В 1970–1975 гг. в МЭИ (Н. А. Ольшанский, Л. Г.Ткачев) была показана возможность высококачественной сварки стальных изделий толщиной до 200 мм и более при относительно небольших ускоряющих напряжениях 30–40 кВ.

ВСССР промышленные сварочные ЭЛУ различных типов создавали ИЭС им. Е. О. Патона и ЦНИИТмаш.

Плазменная сварка используется для соединения как массивных, так и тонких изделий, так как дуга в потоке газа горит стабильно и при малых токах.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Одними из первых применений плазмотронов были сварка и резка металлов. В СССР с начала 60-х гг. ХХ в. этими вопросами занимались Институт металлургии АН СССР (Н. Н. Рыкалин, И. Д. Кулагин, А. В. Николаев) и ИЭС (В. И. Лакомский, Б. А. Мовчан).

Лазерная сварка – это одно из наиболее эффективных применений лазерного нагрева. Лазерная сварка стала широко использоваться в 1970–1980-е гг. в электронике, приборостроении, автомобильной промышленности и других отраслях. В нашей стране и за рубежом применяется лазерная сварка микросхем, корпусов полупроводниковых приборов, анероидных коробок. В США с помощью лазера сваривают аэрозольные баллончики, в ФРГ – катоды кинескопов, в Японии – цилиндрические литиевые батареи.

Для точечной и шовной лазерной сварки в СССР выпускались лазерные твердотельные установки типов «Квант-10», «Квант-40», «Квант-50» средней мощностью до 0,15 кВт. Установка с газовым лазером «Латус-31» имела уже бóльшую среднюю мощность – 1,5 кВт.

5.1.4. Электрофизическиеметодыобработки

5.1.4.1. Электроэрозийнаяобработка

Электрическая эрозия, т. е. разрушение контактов под действием электрических разрядов, была известна давно. Много исследований было посвящено устранению или хотя бы уменьшению разрушения контактов.

Исследованиями явления управляемой электрической эрозии начали заниматься в 40-х гг. прошлого столетия отечественные ученые Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко. Электрод-инструмент и электрод-заготовка помещались в ванну с жидким диэлектриком. В качестве генератора импульсов использовался конденсатор, заряжаемый от источника постоянного тока через резистор. При достижении определенной напряженности электрического поля между электродами возникал электрический разряд, который приводил к разрушению участка заготовки. Продукты обработки попадали в жидкость, где охлаждались, не достигнув электрода-инструмента, и осаждались на дневанны. По истечении определенного времени электрод-инструмент прошивал заготовку, причем контур отверстия точно соответствовал профилю инструмента [15].

В начале 1950-х гг. были разработаны специальные генераторы импульсов, которые позволили вести обработку не только короткими импульсами (электроискровый разряд), но и более длительными (искродуговой и дуговой разряды). Большой вклад в развитие методов электроэрозионной обработки внесли отечественные ученые Б. Н. Золотых, А. Н. Лившиц, Л. С. Палатник, М. Ш. Отто.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Внастоящее время применяют следующие виды электроэрозийной обработки: прошивание – удаление металла из полостей, углублений, отверстий

ит. д.; электроэрозионное шлифование, при котором электрод-инструмент в форме диска совершает вращательное или поступательное движение относительно обрабатываемой заготовки; разрезание профильным или непрофильным инструментом заготовки на части; электроэрозионное упрочнение, осуществляемое, как правило, на воздухе (обеспечивает легирование и наращивание поверхности заготовки, причем нанесенный слой в процессе обработки закаливается и получает повышенную износостойкость).

5.1.4.2. Электроимпульснаяобработкадавлением

Электроимпульсную обработку давлением (электровзрывную обработку) применяют для формообразования и разделения заготовок, например для штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки и развальцовки труб.

Широко применяют две основные разновидности электровзрывного формообразования, отличающиеся способом создания ударной волны: высоковольтным разрядом и электрическим взрывом.

При высоковольтном разряде (электрогидравлическая обработка) используют электрогидравлический эффект, впервые примененный для технологических целей Л. А. Юткиным (1946). Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В канале разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости и образуется ударная волна. Силы, деформирующие заготовку, создаются главным образом ударной волной, а также высоким давлением в возникающем парогазовом пузыре. Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а его длительность составляет несколько десятков микросекунд при токах до 50 кА и длине разрядного промежутка в несколько сантиметров. Скорость фронта ударной волны превышает скорость звука в воде и доходит до 3000 м/с. Максимальное давление в газовом пузыре доходит до 1 1010 Па. Линейные размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут превышать 1 м.

При электрическом взрыве генератор электрического импульса (накопительный конденсатор) разряжается на проводник, состоящий из одной или нескольких проволок, фольги или сетки. Проводник располагают в диэлектрической жидкости. При протекании импульса тока большой силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Дальнейший механизм воздействия на обрабатываемую заготовку и параметры взрывной волны аналогичны рассмотренным выше.

Реже применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки

– электрический взрыв в вакууме, который используют для нанесения покрытий на различные материалы (в том числе на керамику и стекло) без предварительного нагрева изделия.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

5.1.4.3.Прочиеметодыэлектрофизическойобработки

Кчислу новых направлений электротехнологии относится применение сильных электрических полей для непосредственного воздействия на частицы диспергированных материалов с целью получения готового продукта.

Внашей стране это направление получило название «электронно-ионная технология», за рубежом – «промышленное применение электростатики».

ВРоссии первые установки электронно-ионной технологии появились

вначале XX в. Это были электрофильтры небольшой производительности для очистки дымовых газов от золы. Заметное распространение электрофильтры получили в 20-х гг. прошлого столетия.

Интенсивное развитие различных направлений электронно-ионной технологии в СССР началось в 1960-х гг. и связано с именем академика В. И. Попкова, который объединил усилия известных ученых Е. М. Балабанова, И. П. Верещагина, С. П. Жебровского, В. И. Левитова, Н. Ф. Олофинского, работавших в различных областях техники по применению сильных элек-трических полей. В этих работах в 1960–1970-е гг. принимали участие следующие организации: Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского, Московский энергетический институт и Научно-исследовательский институт очистки газов.

Внастоящее время сформировались следующие основные направления использования сильных электрических полей в электротехнологии:

электрогазоочистка – удаление из промышленных газовых выбросов взвешенных частиц пыли или золы за счет действия электрического поля на предварительно заряженные частицы;

нанесение защитных и декоративных покрытий в электрическом поле –

зарядка и организация под действием поля движения заряженных частиц краски или полимерного порошка в направлении окрашиваемой поверхности и равномерное распределение их по поверхности при осаждении;

электросепарация – использование различия в физических свойствах частиц различных материалов для разделения их смеси в процессе зарядки и движения в электрическом поле;

электропечать – использование избирательного осаждения частиц проявителя на фотополупроводящие слои, на которых формируется скрытое электростатическое изображение объекта;

электрофлокирование – ориентация, зарядка и осаждение в электрическом поле на основу частиц волокнистых материалов с целью получения ворсовых покрытий, ковров и т. д.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

5.1.5.Электрохимическаятехнология

5.1.5.1. Развитиеэлектрохимическойтехнологии

Создание первого источника тока – вольтова столба – привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической [15, 37].

Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с помощью тока, полученного в вольтовом столбе. Образование осадков металлов при электролизе растворов солей было обнаружено в опытах, проводимых В. Никольсоном и А. Карлейлем, В. Крюйкшенком (Англия), В. Грюнером, В. Бекманом (Германия), Ш. Б. Дезормом (Франция) и И. Ганом (Швеция).

В1807 г. X. Дэви (Англия) выделил натрий и калий электролизом рас-

плавов.

ВРоссии В. В. Петров в 1802 г. создал самую мощную тогда батарею, состоявшую из нескольких последовательно соединенных гальванических элементов, и с ее помощью осуществил исследования по электролизу воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также органических соединений.

В1838 г. российский академик Б. С. Якоби сообщил о разработанном им методе получения копий с рельефных изделий электролизом, получившим название «гальванопластика». Открытие Б. С. Якоби вызвало большой интерес. Уже в 1839 г. гальванопластика применялась для печатания государственных бумаг и изготовления художественных изделий. Князь П. Р. Багратион изучал золочение из железосинеродистых электролитов. Академик Э. Х. Ленц изготавливал медальоны методом гальванопластики, а его сын Р. Э. Ленц изучал электроосаждение железа.

Впериод с 1842 по 1844 г. в Петербурге было издано шесть книг в области гальванопластики, золочения и серебрения. Первой из них была книга А. Ф. Грекова (1842) «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В 1844 г. князь В. Ф. Одоевский, писатель, композитор, критик, написал книгу «Гальванизм в техническом применении».

С 1844 г. метод Б. С. Якоби получает широкое применение для изготовления произведений искусства: статуй и барельефов для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора, Петропавловской крепости в Петербурге; медных копий фронтона Большого театра в Москве и др.

В1847 г. метод Б. С. Якоби получил в России второе практическое применение – электролитическое рафинирование меди. В 1867 г. Э. Г. Федоровский предложил электрохимический метод получения бесшовных медных труб, в 1869 г. Е. И. Клейн – электролитический способ осаждения толстых слоев меди, нашедший применение при изготовлении государственных бумаг.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Широкое практическое использование электрохимическая технология получила после изобретения электромагнитных генераторов тока.

Внастоящее время электролиз водных растворов и расплавов лежит

воснове электрохимии – направления техники, которое находится на стыке электротехники и химии.

Косновным направлениям электрохимической технологии можно

отнести:

электролитическое разложение воды; получение хлора и щелочи; электрохимический синтез соединений; получение и рафинирование металлов; гальванотехника;

анодное окисление и размерная обработка металлов.

5.1.5.2. Электролитическоеполучениеирафинированиеметаллов

Электроосаждение металла на катоде лежит в основе электрохимического получения металлов из растворов (гидроэлектрометаллургия) или из расплавов, а также рафинирования (очистки) металлов.

Металлы, имеющие электроположительные значения потенциала, например серебро и золото, не растворяются и выпадают в виде частиц на дно электролизера (в шлам) из перешедших в раствор ионов. На катоде в первую очередь осаждаются металлы, имеющие электроположительные значения потенциала (основной металл, например медь). В результате электролиза очищаемый анодный металл растворяется и основной металл осаждается на катоде. Примеси, потенциал которых отрицательнее потенциала основного металла, остаются в растворе, а электроположительные (по потенциалу) примеси оказываются в шламе.

Важным шагом к открытию электролитического рафинирования было предложение Б. С. Якоби в 1840 г. использовать в гальванопластике растворимые аноды. В 1847 г. герцог М. Лейхтенбергский (Россия) высказал предположение о возможности электролитической очистки и разделения металлов. Практически применять электролитическое рафинирование меди стал Д. Р. Элькингтон в Америке с 1865 г. Промышленное производство возникло в Германии в 1878 г. В России производство рафинированной меди было организовано в начале 90-х гг. XIX в. на Кавказе (г. Келакент) и в Нижнем Новгороде.

В это же время началось электролитическое получение меди как заключительная стадия гидрометаллургического производства. При осаждении меди из растворов ее солей, полученных путем переработки руд, используются нерастворимые аноды.

5.РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ,

5.1.Электротехнология

Электрохимический метод применяется для рафинирования и очистки многих металлов (около 80 % выпускаемого никеля и значительная часть кобальта). При этом получается металл чистотой 99,99 % (никель) и 99,6 % (кобальт). При повторном рафинировании чистота металла повышается до 99,9999 %. Электролитическое рафинирование применяется также для получения чистого серебра (99,99 %) и золота (99,95 %).

В80-х гг. XIX в. началась разработка электролитического метода получения цинка, а в 1909 г. в Германии – его крупномасштабное производство.

ВРоссии исследование электролиза цинка проводилось с 1909 г., а первая установка для получения цинка была запущена в 1925 г.

Исследования, проведенные еще в начале XX в. в России под руководством П. П. Федотьева, а затем в СССР под руководством Р. И. Агладзе, привели к организации производства чистого марганца гидроэлектрометаллургическим методом в конце 1930-х гг. Под руководством Н. Т. Кудрявцева и А. В. Помосова в 1960-х гг. разработан электрохимический способ получения порошков металлов (меди, серебра, железа, никеля, цинка и свинца).

Электролизом расплавов получают алюминий, магний, щелочные металлы, кальций, бериллий, титан, цирконий, тантал, бор и фтор. Впервые

в1807 г. X. Дэви и С. П. Власовым электролизом был получен калий и натрий. В 1890 г. К. Кестнер (Германия) разработал промышленный способ получения натрия электролизом расплава NaОН. В этом случае на катоде выделяется натрий, а на аноде – кислород и вода. В 1924 г. Г. Дауне (США) пред-

ложил проводить электролиз расплава NaCl–CaCl2, позднее был разработан промышленный способ получения натрия электролизом расплава хлоридов. Этот способ используется до сих пор.

В1887 г. П. Л. Т. Эру (Франция) и Ч. Холл (США) предложили способ получения алюминия путем электролиза расплава глинозема в криолите. Анодами в электролизере служил графит, окисляющийся при проведении процесса. В России исследования электролитического метода получения алюминия проводились под руководством П. П. Федотьева, А. И. Беляева, Ю. В. Баймакова, П. Ф. Антипина и др. Первый завод по производству алюминия в СССР был сдан в эксплуатацию в г. Волхове в 1930 г. Полученный на катоде алюминий обычно подвергают электролитическому рафинированию с получением алюминия чистотой 99,95–99,995 %.

В1886 г. А. Муассаном (Франция) был получен фтор электролизом смеси HF–KF с использованием платиновых электродов. Промышленное производство фтора началось в 40-х гг. XX в. Процесс проводят либо при температуре 100 °С в расплаве HF·2KF, либо при температуре 250 °С в расплаве НF·КF.