Электродуговые методы в задачах получения тугоплавких материалов и переработки отходов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 
«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 
 
 
 
 
А.Я. Пак 
 
 
 
ЭЛЕКТРОДУГОВЫЕ МЕТОДЫ  
В ЗАДАЧАХ ПОЛУЧЕНИЯ  
ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ  
И ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательство ТГАСУ 
2024 

УДК 669.018.45.095.7:621.791.75(075.8) 
ББК 34.235.1я73+34.641.51я73 
П13 
 
Пак, А.Я. 
Электродуговые методы в задачах получения тугоплавких 
материалов и переработки отходов : учебное пособие / А.Я. Пак. – 
Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2024. – 164 с. – 
Текст : непосредственный. 
ISBN 978-5-6051703-3-4 
 
В учебном пособии отражены основные вопросы развития электродуговых методов в мировой истории науки и их применения в области получения 
различных материалов и переработки низкосортного сырья и отходов. 
Отдельное внимание уделено описанию экспериментальной методики 
и оборудования для реализации безвакуумного электродугового метода, разработанного в Томском политехническом университете. Представлены обобщенные и упрощенные результаты экспериментальных исследований в области синтеза карбидов металлов и неметаллов безвакуумным электродуговым 
методом. Даны общие сведения о возможных путях применения электродуговой методики и синтезируемых материалов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 13.03.02 
и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», 03.03.02 и 03.04.02 «Физика», 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов», 
а также аспирантов по специальностям 2.4.4. «Электротехнология и электрофизика», 1.3.8. «Физика конденсированного состояния», 2.6.5. «Порошковая 
металлургия и композиционные материалы». 
 
УДК 669.018.45.095.7:621.791.75(075.8) 
ББК 34.235.1я73+34.641.51я73 
Рецензенты: 
О.Г. Волокитин, докт. техн. наук, профессор Томского государственного архитектурно-строительного университета; 
А.В. Мостовщиков, докт. техн. наук, профессор Томского университета систем управления и радиоэлектроники. 
 
 
ISBN 978-5-6051703-3-4 
© Томский государственный 
   архитектурно-строительный 
   университет, 2024 
© Пак А.Я., 2024 
П13 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ................................................................................................................. 5 
1. Явление дугового разряда и его применение в плазменных  
реакторах ............................................................................................................... 7 
1.1. Электродуговые методы и устройства обработки материалов: 
основные технические решения ....................................................................... 9 
1.2. Типовые конструкции электродной системы дуговых реакторов 
совмещенного типа .......................................................................................... 10 
1.3. Электропитание дуговых систем ............................................................. 15 
1.4. Рабочие среды дугового реактора постоянного тока совмещенного 
типа и соответствующие типовые варианты конструкции ............................ 21 
1.5. Системы позиционирования электродов дуговых плазменных 
реакторов совмещенного типа ........................................................................ 30 
1.6. Системы регистрации электрических параметров дугового  
реактора и типичные осциллограммы ........................................................... 34 
1.7. Системы регистрации температуры рабочих органов, фото-  
и видеофиксация .............................................................................................. 43 
1.8. Анализ газовой среды реактора ............................................................... 48 
Заключение по разделу 1 ................................................................................. 50 
Вопросы для самоконтроля по разделу 1 ...................................................... 51 
Список цитируемой и рекомендуемой для самостоятельного  
изучения литературы по темам раздела 1 ...................................................... 52 
2. Базовые методы анализа исходного сырья и продуктов 
электродугового синтеза ................................................................................... 57 
2.1. Рентгеновская дифрактометрия ............................................................... 58 
2.2. Методы сканирующей (растровой) и просвечивающей  
электронной микроскопии .............................................................................. 62 
2.3. Термический анализ ................................................................................. 65 
2.4. Получение объемных керамических материалов и их подготовка  
к исследованию физико-механических характеристик ................................ 68 
2.5. Помол и смешивание порошков .............................................................. 71 
Заключение по разделу 2 ................................................................................. 73 
Вопросы для самоконтроля по разделу 2 ...................................................... 74 
Список цитируемой и рекомендуемой для самостоятельного изучения 
литературы по темам раздела 2 ...................................................................... 75 
3. Основные характеристики процессов синтеза воздействием  
дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде  
на примере карбидов кремния, вольфрама, молибдена ............................. 76 
3.1. Получение карбида кремния воздействием дуговых разрядов............. 79 

3.2. Получение карбидов переходных металлов VI группы  
периодической системы химических элементов .......................................... 92 
3.2.1. Получение карбида вольфрама ...................................................... 92 
3.2.2. Получение карбида молибдена .................................................... 105 
Заключение по разделу 3 ............................................................................... 118 
Вопросы для самоконтроля по разделу 3 .................................................... 119 
Список цитируемой и рекомендуемой для самостоятельного  
изучения литературы по темам раздела 3 .................................................... 120 
4. Синтез карбидов переходных металлов IV, V групп воздействием 
дугового разряда постоянного тока в открытой воздушной среде ................ 126 
4.1. Получение карбидов переходных металлов IV, V групп  
безвакуумным электродуговым методом ...................................................... 129 
4.1.1. Модернизация дугового реактора постоянного тока  
для увеличения объемов реакционной зоны и снижения  
примесей материала эрозии анода ......................................................... 129 
4.1.2. Апробация конструкции электродной системы  
с составным катодом в задачах синтеза карбидов переходных  
металлов IV, V групп и высокоэнтропийных карбидов ...................... 134 
4.2. Получение высокоэнтропийных карбидов безвакуумным  
электродуговым методом .............................................................................. 140 
4.2.1. О возможности синтеза TiZrNbHfTaC5 безвакуумным  
электродуговым методом ....................................................................... 140 
4.2.2. О возможности синтеза безвакуумным электродуговым  
методом различных фаз высокоэнтропийных карбидов ..................... 146 
Заключение по разделу 4 ............................................................................... 148 
Вопросы для самоконтроля по разделу 4 .................................................... 148 
Список цитируемой и рекомендуемой для самостоятельного  
изучения литературы по темам раздела 4 .................................................... 149 
5. Переработка низкосортного сырья и отходов безвакуумным 
электродуговым методом ................................................................................ 151 
Примеры возможного применения электродугового метода  
в задачах переработки низкосортного сырья и отходов с получением 
полезных продуктов ...................................................................................... 151 
Заключение по разделу 5 ............................................................................... 159 
Вопросы для самоконтроля по разделу 5 .................................................... 160 
Список цитируемой и рекомендуемой для самостоятельного  
изучения литературы по темам раздела 5 .................................................... 161 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Человечество в настоящее время находится на этапе так называемого четвертого энергетического перехода. В XXI в. активно 
развиваются технологии возобновляемой энергетики, ведутся работы в области применения новых и нетрадиционных источников 
энергии, проводятся исследования в сфере освоения Арктики и космического пространства и соответственно совершенствуются технологии, связанные с выживанием автономных систем. 
В этой связи особенно актуальны вопросы экологии, создания замкнутых сырьевых циклов и энергоэффективности. Это 
неразрывно связано с задачами создания новых материалов, способных удовлетворять все возрастающие к ним требования, 
а также с задачами переработки отходов. В обозначенных выше 
вопросах важную роль играют электротехнологии, в частности 
электродуговые методики. 
В учебном пособии предлагается ознакомиться с современным состоянием электродуговых технологий в мире и их применением в области синтеза различных материалов. Особое внимание уделено безвакуумному электродуговому методу, разработанному в Томском политехническом университете в период 
с 2017 по 2024 г. Изложенные сведения помогут студентам освоить знания в обозначенной предметной области на стыке электроэнергетики и электротехнологии, физики твердого тела и материаловедения. 
Автор не претендует на полноту изложения материала, 
а скорее предлагает обратить внимание на разработки Томского 
политехнического университета в предметной области, а если 
быть более точным, то на разработки лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли. 
Выражаю благодарность за вклад в развитие тематики применения дуговых разрядов в обозначенных областях и совместную 
научную работу: научному руководителю по диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, д.т.н., с.н.с. 

Александру Анатольевичу Сивкову, научному консультанту по 
диссертации на соискание ученой степени доктора технических 
наук, д.ф.-м.н., профессору Геннадию Яковлевичу Мамонтову, 
а также всем преподавателям, сотрудникам и руководству Томского политехнического университета, в стенах которого я прошел 
путь от абитуриента Электротехнического института и техника кафедры электроснабжения до профессора отделения электроэнергетики и электротехники и заведующего лабораторией перспективных материалов энергетической отрасли. 
Также выражаю благодарность своим ученикам и коллегам, 
партнерам, продолжающим развивать различные направления 
обозначенной в пособии предметной области. 
 
 
 

1. ЯВЛЕНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА  
И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ПЛАЗМЕННЫХ РЕАКТОРАХ 
Дуговой разряд (дуга) как физическое явление лег в основу 
одной из главных технологий XX в. – дуговой сварки металлических конструкций. Сегодня дуговая сварка применяется так или 
иначе при производстве практически любого изделия. Большинство металлоконструкций, использующихся в составе различных 
сооружений, зданий, наземного и морского транспорта, практически повсеместно созданы с применением технологий дуговой 
сварки. В данном случае дуговой разряд используется как «нагревательный элемент» для плавки металла, который при охлаждении кристаллизуется, образуя сварной шов и соединяя нужные 
детали. Дуговой разряд также применяется в качестве источника 
света в специальных газоразрядных лампах. На базе явления дугового разряда созданы печи для плавки металлов и спектрометры, требующие испарения исследуемых материалов. Помимо 
этого, дуговой разряд лег в основу технологии дуговых плазмотронов и плазмохимических реакторов. 
Согласно данным Большой российской энциклопедии, Большой политехнической энциклопедии, дуговой разряд относится 
к типу самостоятельных квазистационарных электрических разрядов в газе при его давлении более 0,01 Па, отличающихся высокой 
плотностью тока (102–108 А/см2). Дуга существует в разрядном 
промежутке между электродами, находящимися под разностью 
потенциалов, где атомы формируют плазменный токопроводящий 
канал. Удельное сопротивление плазменного канала зависит от 
множества факторов и в целом может быть относительно низким, 
но все еще значительно выше, чем сопротивление металлических 
элементов разрядного контура. Соответственно, в электрической 
цепи дуговой разряд выполняет роль нагрузки, падение напряжения на которой существенно выше, чем на электродах и соединительных силовых линиях. Дуговой разряд обеспечивает формирование в разрядном промежутке теплового поля с высоким гради

ентом, с максимальной температурой, достигающей нескольких 
тысяч градусов, и является источником излучения с относительно 
высокой интенсивностью, достаточной для повреждения органов 
зрения человека. Большинству людей дуговой разряд знаком с детства по фразе родителей: «Не смотри – ослепнешь», которую 
обычно говорили при нахождении детей вблизи мест ремонта тепловых сетей или проведения строительных работ с использованием технологии ручной дуговой сварки. 
Вообще, дуговой разряд как таковой известен человеку с начала XIX в: явление дугового разряда в воздухе наблюдали между 
двумя горизонтально расположенными электродами, причем «светящийся токовый канал» был изогнут дугообразно, отсюда и произошло название – «дуга», «дуговой разряд». На рис. 1.1 представлена 
фотография дугового разряда с характерной изогнутой формой. 
 
 
 
Рис. 1.1. Дуговой разряд между горизонтально расположенными графитовыми электродами (снято на фотокамеру Canon 600D с использованием нейтрального серого фильтра) 
 
В конце XIX в. была создана электродуговая печь, предназначенная для получения карбидов металлов. Однако уровень развития науки и техники того периода не позволял однозначно идентифицировать продукты синтеза, также были определенные слож

ности и с созданием заданной газовой среды для дугового разряда, 
а главное – источники тока были недостаточно технологичны для 
обеспечения требуемой вольт-амперной характеристики [1–3]. 
Эти трудности существенно затрудняли развитие электродуговых 
технологий и их применения для синтеза материалов. В середине 
XX в. получила повсеместное распространение технология ручной 
дуговой сварки, что определило резкий скачок в развитии систем 
электропитания сварочных аппаратов. Усовершенствование промышленно производимых источников питания и улучшение их 
технических характеристик (в частности, увеличение рабочей 
силы тока до десятков и сотен ампер) позволили обеспечить фундамент для развития электродуговых устройств различного назначения, что в свою очередь дало толчок к разработке методов получения множества материалов [4, 5]. Впоследствии в «эру космических исследований» были созданы электродуговые плазмотроны, 
которые одновременно могли быть использованы как для реализации плазмохимического синтеза тугоплавких материалов, так 
и для их испытания на абляционную стойкость и стойкость к воздействию высоких температур в различных газовых средах [6, 7]. 
Таким образом, сегодня, как и в последние два века, основное 
технологическое назначение явления дугового разряда – это создание 
теплового поля для нагревания, плавки, испарения чего-либо и/или 
создания потока излучения видимого диапазона с применением современных методов и оборудования для управления процессом. 
 
 
1.1. Электродуговые методы  
и устройства обработки материалов:  
основные технические решения 
Основные наиболее распространенные принципы использования электрической дуги в задачах обработки материалов – это, 
как правило, нагревание требуемого материала или изделия до 
нужной температуры и/или обеспечение воздействия плазмен

ного потока требуемого состава на заданную поверхность твердого тела или в заданном газовом объеме реактора. 
Современная электронно-компонентная база, силовая электроника, средства автоматизации, сбора, хранения и обработки данных, наличие баз данных научной литературы, открытых данных 
в сети Интернет создают благоприятную почву для развития многих научных направлений, связанных в том числе с использованием 
электродуговых методов и оборудования. Опубликовано огромное 
количество научно-технических трудов, посвященных описанию 
тех или иных технических решений в области создания и применения электродуговых установок различного назначения. Большой 
пласт работ посвящен решению задач синтеза и испытания различных материалов, требующих достижения высоких температур. 
Современные электроразрядные установки принято различать по типу электропитания (импульсные установки, установки 
постоянного тока, установки переменного тока), по конструкции 
рабочей зоны (установки совмещенного типа, раздельного типа, 
раздельно-совмещенного типа) [7]. В установках совмещенного 
типа зона «горения» дугового разряда «совмещена» с реакционным объемом, в котором протекает основной технологический 
процесс, к примеру, синтез карбида металла. В установках раздельного типа, или, как их иначе называют, струйного, зоны горения дуги и протекания технологического процесса «разделены», ионизированные атомы и «тепловая энергия» в таких 
устройствах транспортируются в виде плазменной струи к зоне, 
где реализуется требуемая операция, например, обработка поверхности детали или подложки. 
 
 
1.2. Типовые конструкции электродной системы  
дуговых реакторов совмещенного типа 
Дуговые реакторы совмещенного типа отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью и наибольшей достигаемой