Плазменные электротехнологические установки

ПЛАЗМЕННЫЕ 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 

УСТАНОВКИ

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

Под редакцией доктора технических наук В.С. Чередниченко

2-е издание, дополненное

Допущено УМО вузов России по образованию в области

 энергетики и электротехники в качестве учебного пособия

 для студентов высших учебных заведений, обучающихся

 по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника»

Москва
ИНФРА-М

2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.31(075.8)
ББК 31.2я73
 
Ч46

А в т о р ы :

В.С. Чередниченко, доктор технических наук, профессор, профессор 

Новосибирского государственного технического университета;

А.С. Аньшаков, доктор технических наук, профессор, главный науч
ный сотрудник лаборатории экологических проблем теплоэнергетики 
Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук;

М.Г. Кузьмин, кандидат технических наук, председатель совета ди
ректоров АО «СКБ Сибэлектротерм»

Р е ц е н з е н т ы:

М.Р. Предтеченский, академик Российской академии наук (Инсти
тут теплофизики имени С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук);

А.Б. Кувалдин, доктор технических наук, профессор Националь
ного исследовательского университета «МЭИ»

ISBN 978-5-16-013628-8 (print)
ISBN 978-5-16-106288-3 (online)

© Чередниченко В.С., Аньшаков А.С., 

Кузьмин М.Г., 2019

Чередниченко В.С.

Ч46  
Плазменные электротехнологические установки : учебное посо
бие / В.С. Чередниченко, А.С. Аньшаков, М.Г. Кузьмин ; под ред. д-ра 
техн. наук В.С. Чередниченко. — 2-е изд., доп. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 601 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/  
textbook_5d442e0f54e3a5.70502624.

ISBN 978-5-16-013628-8 (print)
ISBN 978-5-16-106288-3 (online)
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.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направ
лению подготовки «Электроэнергетика и электротехника». Может быть 
полезно студентам, магистрантам, аспирантам и специалистам, занимающимся плазменными технологиями.

УДК 621.31(075.8)

ББК 31.2я73

Предисловие

При подготовке издания учебного пособия авторы постарались, 
с одной стороны, изложить научный и информационный материал 
в соответствии с программными документами подготовки студентов, магистрантов и аспирантов, а с другой — помочь читателю 
приобрести достаточные знания и навыки для дальнейшего совершенствования и развития плазменных технологий и оборудования.
Это определило цель учебного пособия — 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 нацио нальных образовательных систем 
Европы и России с целью создания единого научно-образовательного 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 учебного пособия заложена возможность структурирования изучения плазменных электротехнологических установок с разделением 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 идет четыре части, разбитые на отдельные главы. Первая часть знакомит 

читателя с физическими основами газового разряда, 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 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 учебного пособия, в том 
числе теории подобия плазменных процессов. Это позволило обобщить экспериментальные результаты исследований и создать инженерные методы расчетов плазмотронов различных конструкций. 
Завершая учебное пособие, четвертая часть знакомит читателя 
с плазменными электротехнологиями и оборудованием для их проведения.
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 электротехнологических 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 положениях электродинамики и теплофизики и обобщает 
результаты новейших разработок, имеющих оптимальные схемы 
и характеристики плазменных электротехнологических установок.
Издание ориентировано на студентов, магистрантов и аспирантов вузов технического профиля и инженерный состав фирм 
и предприятий, занимающихся созданием и эксплуатацией плазменных электротехнологических установок и систем.

Авторы выражают глубокую признательность рецензентам — 
академику РАН М.Р. Предтеченскому и доктору технических наук, 
профессору Московского энергетического института А.Б. Кувалдину за деловое обсуждение, советы и рекомендации при подготовке этого издания. Авторы благодарны также многим специалистам, которые использовали первое издание книги 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.

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 г. 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 электродуговые, индукционные и высокочастотные.
Интерес к электрической дуге и ее приложениям к электротехнологическим процессам возрос в начале ХХ в., когда разрабатывались промышленные методы получения оксида азота из воздуха 
и ацетилена из углеводородного газа. В конце 1940-х гг. 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 ХХ в. 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 экономии на угаре металла и расходе других материалов, за счет использования более 
дешевого сырья, увеличения производительности, удешевления 
газо очистки, меньшей вероятности возникновения аварийных ситуаций (особенно с учетом влияния аварийных ситуаций на охрану 
окружающей среды и безопасность труда).
К преимуществам плазменного нагрева относятся:
 
• возможность получения высоких и сверхвысоких температур 
и концентраций мощности при точном регулировании преобразования электрической энергии в тепловую в широких диапазонах нагрева во времени и в пространстве; благодаря этому 

можно получать любые графики температурного режима в высокотемпературной области для проведения электротехнологических процессов;
 
• высокая степень равномерности нагрева и точность поддержания заданных температур;
 
• выделение теплоты в весьма чистых контролируемых атмосферах в широком диапазоне давлений (вакуумные, атмосферные, 
компрессионные установки);
 
• хорошая управляемость технологическим режимом, что позволяет автоматизировать процессы;
 
• концентрация больших мощностей;
 
• отсутствие продуктов сгорания, что предохраняет от загрязнений окружающую среду и уменьшает затраты на очистные 
установки.
Устройства, позволяющие стационарно получать плазму, 
как уже говорилось, называются плазмотронами. Плазмотрон, 
или плазменный генератор, — это газоразрядное устройство, 
дающее низкотемпературную плазму. Наибольшее распространение получили электродуговые и высокочастотные плазмотроны. 
В электродуговых плазмотронах рабочий газ (воздух, аргон, азот, 
водород и т.д.) превращается в плазму в дуговом разряде между 
тугоплавким катодом (вольфрам, тантал, молибден, специальные 
сплавы) и анодом. Получаемая температура в плазме охватывает 
диапазон от 3000 до 15 000 К.
По своему назначению и конструктивному исполнению плазмотроны могут быть разделены на два типа.
Первый тип — это плазмотроны, в которых полезна только теплота, 
переданная потоку плазмы. К ним относятся высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, а также электродуговые плазмотроны 
постоянного и переменного тока с дугой, горящей между электродами 
плазмотрона. В дальнейшем будем называть их струйными плазмотронами. В них дуга горит внутри плазмотрона, рабочие электроды 
являются элементом конструкции и внутри плазмотрона замыкается 
электрическая цепь. Эти плазмотроны используются для нагрева 
газов. Схемы таких плазмотронов приведены на рис. В1, а–д.
Второй тип — это плазмотроны, в которых полезная теплота, 
выделяющаяся в анодном пятне (при переменном токе — в одном 
из опорных пятен) дуги, а также, в большей или в меньшей степени, 
энергия излучения столба разряда (плазмы). В этих плазмотронах 
одно из опорных пятен дуги вынесено на нагреваемое изделие, которое, таким образом, включается в электрическую цепь. Подобные 
плазмотроны в дальнейшем будем называть плавильными.

E

1

4

2
5

3

4

E

4

4

3

5

6

2

1

E

6

6

4
4
3

2
1

E

3

5
4
4

2

1

E

4

1

4, 7

2, 3
5

E

3

4

4

1

2

a
б
в

г
д
е

Рис. В1. Схемы дуговых плазмотронов:
а — осевой; б — коаксиальный; в — с тороидальными электродами; 
г — двухстороннего истечения; д — эрозионный; е — с внешней (вынесенной) 
плазменной дугой; 1 — источник питания; 2 — разряд; 3 — плазменная струя; 
4 — электроды; 5 — разрядная камера; 6 — соленоиды; 
7 — обрабатываемое изделие; 
 — плазмообразующий газ;

 — охлаждающая вода

Оба эти названия достаточно условны. Так, плазмотроны, используемые для резки металлов, для нагрева ленты и проволоки, 
по схеме включения относятся к «плавильным». Схема плазмотронов с вынесенной дугой приведена на рис. В1, е.
В области металлургии плазменный нагрев используется 
для плавки и восстановления металлов, получения тонкодисперсных порошков, сфероидизации порошков, плавки керамики 
и ряда других процессов. В зависимости от типа плазмотрона 
печи могут работать как на постоянном, так и на переменном 
токе.
Существует три типа плазменных плавильных печей: печи 
для плавки в керамическом тигле; печи для плавки в кристаллизаторе; печи для плавки в гарнисаже. Схемы наиболее распространенных плазменно-дуговых электропечей приведены на рис. В2.

–

+

–

+

Вода
Вода

а 
б  

Рис. В2. Плазменно-дуговые электропечи:
а — с керамическим тиглем; б — с водоохлаждаемым кристаллизатором

Печи с керамическим тиглем применяются главным образом 
для плавки сталей и сплавов на никелевой основе и переплава легированных отходов.
В таких электропечах обычно в качестве плазмообразующего 
газа используется аргон, но в зависимости от требований технологии состав газа может меняться, и, поскольку как печь в отличие 
от обычной дуговой хорошо уплотнена, в ней может поддерживаться любая атмосфера. В этом, а также в отсутствии графитированных электродов и в исключении возможности науглероживания 
металла состоит основное отличие плазменной печи от открытой 
дуговой, что обеспечивает следующие преимущества:
 
• сокращение расхода легирующих элемен тов, возможность переплава отходов легированных сталей с высоким усвоением леги-
рующих: Мn, Cr, Ni, Мо до 96…100% и Тi до 60…80%;
 
• возможность выплавки малоуглеродистых сталей и сплавов;
 
• возможность выплавки азотированных сталей с использованием 
азота (в этом случае в состав плазмообразующего газа вводится 
азот);
 
• улучшение условий труда и уменьшение загрязнения окружающей среды.
Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе являются переплавными печами. В отличие от вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом у плазменных печей нет жесткой связи между 
мощностью, вводимой в печь, и скоростью плавки, т.е. они, как