Плазменные электротехнологические установки

В.С. ЧЕРЕДНИЧЕНКО, А.С. АНЬШАКОВ, М.Г. КУЗЬМИН




ПЛАЗМЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
УСТАНОВКИ



Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», направления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»








НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.365(075.8) 4-462





Под редакцией доктора технических наук, профессора В. С. Чередниченко


Рецензенты: чл.-корр. РАН М.Р. Предтеченский (ИТ СО РАН), д-р техн. наук, проф. А.Б. Кувалдин (МЭИ)


      Чередниченко В.С.
4-462     Плазменные электротехнологические установки : учебник для вузов /
      В.С. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин ; под ред. В.С. Чередниченко. -3-е изд., испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.- 602 с.: ил.-(Серия «Учебники НГТУ»).
           ISBN978-5-7782-1576-4

           Изложены физические основы преобразования электрической энергии в энергию плазмы на основании современных представлений о взаимодействиях плазмы с электромагнитным полем; рассмотрены электрические цепи, включающие дуговые разряды постоянного и переменного тока, излагаются основы электродинамики плазмы с введением понятий частотной и пространственной дисперсии; анализируются характеристики электродуговых плазмотронов различных конструкций и плазменных электротехнологий, осуществляемых в современном промышленном оборудовании. Книга предназначена для подготовки кадров по направлению «Электротехника, электромеханика, электротехнологии», специальности «Электротехнологические установки и системы» и может быть полезна студентам, магистрантам, аспирантам и специалистам, занимающимся плазменными технологиями.

УДК 621.365(075.8)



ISBN 978-5-7782-1576-4                            © Чередниченко В.С., Аньшаков А.С.,
                                                     Кузьмин М.Г., 2008, 2011
                                                  © Новосибирский государственный технический университет, 2008, 2011

   ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ


     При подготовке второго издания учебника авторы постарались, с одной стороны, изложить научный и информационный материал в соответствии с программными документами подготовки студентов, магистрантов и аспирантов, а с другой стороны - помочь читателю приобрести достаточные знания и навыки для дальнейшего совершенствования и развития плазменных технологий и оборудования.
     Это определило цель учебника - изложить основы плазменных физических процессов, на основе которых возможно понимание принципов работы плазменного промышленного оборудования.
     В последние годы российское образовательное сообщество высших учебных заведений развивается под знаком Болонского процесса, одним из ключевых положений которого является ориентация вузов на конечный результат - глубокие знания молодых специалистов, базирующиеся на общности фундаментальных принципов функционирования национальных образовательных систем Европы и России с целью создания единого научнообразовательного пространства.
     В связи с реализацией в вузах страны системы новых образовательных стандартов, лицензирования и аккредитации направлений подготовки бакалавров, специалистов и магистрантов, развитием самостоятельной работы студентов одной из актуальных задач учебного процесса в высшей школе является подготовка и издание учебников и учебных пособий, которые по содержанию и объему в большей мере соответствовали бы сочетанию модульной технологии с зачетными образовательными баллами, дистанционными формами обучения.
     В построении предлагаемого учебника заложена возможность структурирования изучения плазменных электротехнологических установок с разде

Предисловие ко второму изданию

лением фундаментальных вопросов электрофизики и теплофизики, лежащих в основе плазменной техники, инженерной части оборудования и реализованных в промышленности плазменных электротехнологий.
     Изучение любой технической дисциплины традиционно начинается с определения ее предметной области, с характеристик конструктивных решений и направлений их развития, исторических сведений. Эта задача решается во введении. Затем идут четыре части, разбитые на отдельные главы. Первая часть знакомит читателя с физическими основами газовых разрядов, которые используются для получения низкотемпературной плазмы. Вторая часть посвящена рассмотрению электрических цепей с газовыми разрядами и, прежде всего, с дуговыми разрядами - как наиболее широко используемыми в промышленности. В третьей части учебника рассматриваются промышленные генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны), на основе которых создаются электротехнологические установки атмосферного и пониженного давления, плазменные технологические реакторы, высокочастотные, сверхвысокочастотные плазмотроны и плазменные генераторы трансформаторного типа. Рассмотренные конструкции плазмотронов создавались с использованием изложенных фундаментальных положений теории в первой и второй частях учебника, в том числе теории подобия плазменных процессов. Это позволило обобщить экспериментальные результаты исследований и создать инженерные методы расчетов плазмотронов различных конструкций. Завершая учебник, четвертая часть знакомит читателя с плазменными электротехнологиями и оборудованием для их проведения. Эта часть учебника во втором издании значительно расширена за счет включения самостоятельной главы по плазменным установкам для плавки и восстановлению металлов.
     Эффективность и эксплуатационная надежность технологического оборудования непосредственным образом зависят от принятых проектных решений. Плазменная техника не составляет в этом смысле исключения. Обоснованный выбор и взаимное согласование источников питания, плазмотронов, параметров электропечей и реакторов создают необходимую предпосылку для оптимального конструирования и эксплуатации плазменных электротехноло-гических установок.
     Значительный вклад в создание методов расчета и проектирования плазменного оборудования внесен отечественными учеными. Благодаря этим работам сегодня можно уже с достаточным основанием говорить о становлении новой инженерной дисциплины - теоретических основ проектирования промышленных установок, использующих в качестве технологической среды низкотемпературную плазму. Эта дисциплина основывается на фундаментальных

Предисловие ко второму изданию

7

положениях электродинамики и теплофизики и обобщает результаты новейших разработок, имеющих оптимальные схемы и характеристики плазменных электротехнологических установок.
     Второе издание книги, как и первое, ориентировано на студентов, магистрантов и аспирантов вузов технического профиля и инженерный состав фирм и предприятий, занимающихся созданием и эксплуатацией плазменных электротехнологических установок и систем. Учебник соответствует стандартам программе специальности 140605 «Электротехнологические установки и системы», направлению подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
     Авторы выражают глубокую признательность рецензентам первого и второго изданий учебника - доктору технических наук, профессору А.С. Васильеву (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет - ЛЭТИ), члену-корреспонденту РАН М.Р. Предтеченскому (Институт теплофизики СО РАН) и доктору технических наук, профессору А.Б. Кувалдину (Московский энергетический институт) за деловое обсуждение, советы и рекомендации при подготовке этого издания. Авторы благодарны также многим специалистам, которые использовали первое издание учебника при работе с магистрантами и аспирантами и высказали свои пожелания по его улучшению и дополнению.
     Авторы с признательностью примут критические замечания, пожелания и предложения читателей.


                                                      Авторы

     ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

     Развитие современной техники требует широкого внедрения в промышленность новых эффективных технологических процессов, основанных на достижениях современной науки и техники. Одно из направлений, существенно расширяющих технологические возможности процессов обработки материалов, - применение концентрированных потоков энергии, которые получают с использованием генераторов низкотемпературной плазмы (плазмотронов). Плазменные электротехнологические установки сформировали приоритетное направление развития электротехнологической техники.
     В сложившихся условиях использование плазменных процессов и расширение областей их применения сдерживаются не только отсутствием завершенной общей теории плазменных процессов, но и подготовкой инженерных и научных кадров по этому направлению. Отделение «Электротехнологии» Академии электротехнических наук РФ поставило перед ведущими в этой области специалистами России задачу создания первого учебника по плазменным электротехнологическим установкам. Эта задача получила поддержку учебнометодического объединения по образованию в области энергетики и электротехники Министерства образования и науки РФ.
     Предлагаемая книга по плазменным электротехнологическим установкам является первым фундаментальным учебником по этому направлению развития плазменной электротехнологической техники. Она написана на основе курса лекций, сформированных в сибирской научной школе электротехнологов и читаемых авторами в течение двадцати лет студентам, магистрантам, аспирантам и научным стажерам в Новосибирском государственном техническом университете, Институте теплофизики СО РАН и ОАО «Сибэлектро-

Предисловие к первому изданию

9

терм» (Новосибирск), являющемся базовым заводом России по изготовлению крупного электротермического оборудования (в том числе плазменных электропечей и установок) и использованию плазменных электротехнологий (резки и сварки) при производстве электропечей различного назначения.
     Отставание развития фундаментальной общей теории плазменных процессов в сильноточных газовых разрядах имеет объективные причины, в основе которых лежат сложные взаимосвязи электродинамических, теплофизических и газодинамических процессов, развивающихся в газовых разрядах. Очевидное отставание в развитии электродинамики плазмы от развития плазменной техники в определенной мере связано с тем, что электромагнитная теория Максвелла в своей первоначальной форме была феноменологической и не учитывала зависимостей диэлектрической и магнитной проницаемостей материальных сред от частоты электромагнитной энергии. Она не ставила задачи теоретического определения или объяснения процессов изменения диэлектрических и магнитных свойств конкретных сред как во времени, так и в пространстве. Поэтому в электротехнике газовый электропроводящий промежуток разрядов рассматривался как нелинейный участок электрической цепи, аналогичный металлическому проводнику. Такое упрощенное представление о газовом разряде позволяло теоретически достоверно представить электро- и теплофизические характеристики плазменного проводника только при проведении экспериментальных исследований.
     Поэтому развитие плазменной техники базировалось на массиве экспериментальных результатов, который анализировался и обобщался на основе высокотемпературной газодинамики и теплофизики в пределах удельных мощностей электрической и тепловой энергии, достигаемых по мере развития плазменной техники.
     Экспериментально обнаруженная зависимость показателя преломления, диэлектрической и магнитной проницаемостей плазмы от частоты (частотная дисперсия) длительное время считалась явлением, противоречащим теории. В настоящее время доказано, что зависимость диэлектрической и магнитной проницаемостей вещества от частоты электромагнитной волны не только не противоречит теории электромагнитного поля, но и позволяет на основе существующих представлений судить о конкретных свойствах материальных сред с учетом предшествующих событий с использованием теории частотной и волновой (пространственной) дисперсии.

Предисловие к первому изданию

     Изучение и развитие кинетических представлений о плазме показали, что в определенных условиях пространственная дисперсия диэлектрической и магнитной проницаемостей оказывается достаточно большой. Пространственная дисперсия вошла в электродинамику на таких же правах, как и частотная дисперсия. Особенно значимо эти процессы влияния проявляются в переходных режимах, когда скорость протекания релаксационных процессов (намагниченность, ионизация и рекомбинация, температура и др.) рассогласовываются с электродинамическими внешними параметрами электромагнитного поля. Учет этих взаимосвязей позволил осуществить более глубокие исследования электродинамических процессов в плазме.
     В учебнике изложены физические основы преобразования электрической энергии в энергию плазмы с использованием современных представлений о протекающих процессах. Эти разделы дают основу для понимания с единой точки зрения теоретических и экспериментальных характеристик плазменных установок. В последующем рассматриваются электрические цепи, включающие дуговые разряды постоянного и переменного токов, в том числе излагаются основы электродинамики плазмы с введением понятий частотной и пространственной дисперсии, приведено описание генераторов низкотемпературной термической плазмы и плазменных электротехнологий, осуществляемых в современном промышленном оборудовании.




А.С. Васильев,
                                 доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ, академик-секретарь Академии электротехнических наук РФ

        ВВЕДЕНИЕ

     В плазменных электротехнологических установках используется преобразование электрической энергии в тепловую в различных видах электрического разряда в газах. Газовый разряд - это прохождение электрического тока в газе под действием электрического поля. При этом газ переходит в плазменное состояние и становится электропроводным.
     Плазмой называют ионизированный газ, в котором объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов, образующих плазму заряженных частиц, практически одинаковы, а доля этих частиц сравнительно велика. Плазма отличается от обычного газа рядом качеств, позволяющих считать ее особым, «четвертым» (после твердого, жидкого и газообразного), состоянием вещества. В частности, для плазмы характерно взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями, обусловленное ее высокой электрической проводимостью.
     Электрический разряд в виде контрагированной дуги или диффузного разряда является эффективным средством организации высокотемпературных электротехнологий. Примером этого может служить электродуговая сварка, оказавшая мощное революционизирующее влияние в первую очередь на технологию машиностроения.
     Впервые электрическая дуга была получена в 1802 году профессором Петербургской медико-хирургической академии В.В. Петровым. Потребовалось более 100 лет, чтобы в промышленности появились первые технологические аппараты, в которых использовалась дуга для нагрева газов до высоких температур. В дальнейшем аппараты, предназначенные для генерации низкотемпературной плазмы, получили название плазмотронов. По принципу действия они подразделяются на электро дуговые, индукционные и высокочастотные.

Введение

     Интерес к электрической дуге и ее приложениям к электротехнологиче-ским процессам возрос в начале XX века, когда разрабатывались промышленные методы получения окиси азота из воздуха и ацетилена из природного газа. В конце 40-х годов внимание к электрической дуге усилилось в связи с необходимостью нагрева газа в аэродинамических трубах для обеспечения частичного моделирования полета гиперзвуковых самолетов в земной атмосфере и входа космических аппаратов в атмосферу Земли и других планет, а также для предотвращения конденсации компонентов воздуха в сверхзвуковом участке аэродинамических труб.
     Во второй половине XX века наблюдалось развитие технических приложений плазмотронов в металлургической, химической и новых отраслях промышленности. Успешное применение низкотемпературной плазмы в металлургии и химической промышленности требовало решения многих вопросов в области фундаментальных исследований, касающихся физических свойств плазмы. Благодаря специальным работам, выполненным различными исследовательскими организациями в связи с появлением ядерных и космических программ, были получены основные термодинамические характеристики газов, которые наиболее часто используются в плазменных электротехнологиях.
     Плазменные электротехнологические установки применяют в следующих случаях.
     1.      Технологический процесс без использования плазменного преобразования электрической энергии в тепловую неосуществим; целесообразность его применения определяется значимостью продукции для хозяйственной деятельности, а конкурентоспособность оценивается для вариантов, в которых эта продукция заменит изделия с худшими характеристиками, полученными без плазменного нагрева.
     2.      Плазменные установки позволяют получить продукцию более высокого качества; экономический эффект при их применении определяется тем, насколько улучшение характеристик продукции компенсирует увеличение ее стоимости.
     3.      Плазменные установки позволяют решить экологические проблемы, улучшают условия труда, повышают безопасность; экономический эффект при этом можно не учитывать.
     4.      При получении продукции снижается себестоимость или капитальные затраты в смежных отраслях производства, т.е. плазменные электротехнологии дают прямой экономический эффект по месту реализации: например, за счет