Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ДУ)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 17 страниц)
Дуговая вакуумная печь
Дугова'я ва'куумная печь, электрическая печь для плавки металлов в вакууме энергией электрической дуги. Д. в. п. – газоразрядная система, где дуга существует на парах переплавляемого металла. Различают Д. в. п. для выплавки слитков (главным образом из титана и стали) в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах (рис. 1) и для получения фасонного литья из высокореакционных и тугоплавких металлов (главным образом титана и ниобия) путём так называемой плавки в гарнисаже (рис. 2).
Д. в. п. бывают с расходуемым (наиболее распространены в промышленности) и нерасходуемым электродами. Расходуемый металлический электрод состоит из материала, подлежащего переплаву, его химический состав в основном соответствует составу получаемого сплава. Между электродом и затравкой при подаче постоянного тока возникает электрическая дуга. Выделяющееся тепло расплавляет электрод; образующийся жидкий металл стекает либо в кристаллизатор, либо в тигель при плавке в гарнисаже. В Д. в. п. с нерасходуемым электродом, который изготовляют из вольфрама или графита, в зону плавки подают твёрдую шихту. Мощность электрической дуги выбирают с таким расчётом, чтобы обеспечить получение плотной бездефектной макроструктуры слитка. Давление в дуговом промежутке при плавке определяется упругостью паров металла над расплавом и составляет для стали 0,1—1 н/м2, для титана 1—10 н/м2 и для молибдена 0,01—0,1 н/м2. Заданное давление поддерживают вакуумными насосами.
Металл, полученный в Д. в. п. с охлаждаемым кристаллизатором, характеризуется высокими механическими свойствами, а также низким содержанием газовых примесей и неметаллических включений. Так, при переплаве стали в Д. в. п. количество неметаллических включений в металле в результате переплава снижается в 2—3 раза, крупные включения (свыше 15—20 мкм) удаляются полностью. Концентрация азота понижается на 30—35%, кислорода в 2—3 раза, содержание серы уменьшается на 20%. Переплавленный металл характеризуется высокой вязкостью и пластичностью в широком интервале температур, повышенной усталостной прочностью, высокой изотропностью механических свойств.
В Д. в. п. для плавки в гарнисаже применяют графитовые и металлические охлаждаемые тигли. Толщину гарнисажа в течение плавки поддерживают постоянной путём регулирования мощности электрической дуги. При плавке в гарниссаже в тигле наплавляют необходимую массу жидкого металла, которую затем сливают в форму. Для фасонного литья из титана используют кокили, а также формы, изготовленные из графита или магнезита, которые для улучшения заполнения устанавливают на столе центробежной литейной машины, являющейся частью печи. Отливки из титановых сплавов, полученные в Д. в. п. путём плавки в гарниссаже, обладают высокими механическими свойствами. Ведутся работы по созданию Д. в. п. на переменном токе с использованием легко ионизируемых добавок, вводимых в электроды.
Лит.: Неуструев А. А., Ходоровский Г. Л., Вакуумные гарниссажные печи, М., 1967; Белянчиков Л. Н., Основы расчёта дуговых вакуумных печей, М., 1968.
Рис. 2. Схема дуговой вакуумной электропечи для плавки в гарнисаже: 1 – механизм перемещения электрода; 2 – электрод; 3 – горнисаж; 4 – графитовый тигель; 5 – охлаждаемая обойма; 6 – смотровое окно; 7 – форма; 8 – центробежная машина.
Рис. 1. Схема дуговой вакуумной электропечи с кристаллизатором: 1 – расходуемый электрод; 2 – затравка; 3 – поддон; 4 – охлаждаемый кристаллизатор; 5 – слиток; 6 – механизм перемещения электродов.
Дуговая печь
Дугова'я печь, электрическая печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и др. материалов. Первые промышленные Д. п. построены в 1898—1901 П. Эру во Франции и Э. Стассано в Италии. В России первая Д. п. была установлена в 1910 на Обуховском заводе в Петербурге.
По способу нагрева Д. п. подразделяют на печи прямого действия, печи косвенного действия и печи с закрытой дугой. В печах прямого действия электрические дуги горят между электродами и нагреваемым телом (рис. 1, а). В печах косвенного действия дуга горит между электродами на некотором расстоянии от нагреваемых материалов, которым тепло от дуги передаётся излучением (рис. 1, б). В печах с закрытой дугой дуги горят под слоем твёрдой шихты, окружающей электроды (рис. 1, в). Шихта нагревается теплом, выделяющимся в дуге, а также джоулевым теплом, образующимся при прохождении тока через шихту.
Д. п. нашли широкое применение в металлургии – главным образом для плавки стали и в несколько видоизменённом виде для выплавки ферросплавов и чугуна из руд, а также в химической промышленности – для производства карбида кальция, фосфора и др. продуктов. Электроэнергия в Д. п. подаётся от трансформатора через медные шины и угольные или (чаще) графитированные электроды, большей частью круглого сечения. Наибольшее распространение получили трёхфазные Д. п., в которых дуги горят между тремя электродами и перерабатываемым материалом.
Современная электросталеплавильная Д. п. представляет собой мощный высокомеханизированный и автоматизированный агрегат (рис. 2), в котором сведена к минимуму продолжительность производственных операций между плавками – выпуск предыдущей и загрузка материалов для следующей, что позволяет наиболее эффективно использовать рабочее печное время.
Основной элемент конструкции Д. п. – металлический корпус в виде кожуха, как правило, круглого сечения. Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Огнеупорная кладка съёмного свода печи выполнена в кольце. Для загрузки шихты в печь свод обычно поднимают и отводят в сторону. В стенах Д. п. имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с жёлобом для слива металла и шлака в ковш. В своде расположены отверстия для ввода электродов, снабжённые водоохлаждаемыми металлическими коробками (экономайзерами). Д. п. устанавливается на люльке для возможности наклона печи в сторону рабочего окна или выпускного отверстия при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлическим приводом. Современные Д. п. снабжены индукторами для электромагнитного перемешивания жидкой ванны.
Д. п. строят различной ёмкости (до 250 т) с мощностью трансформатора до 85 000 ква.
Лит.: Электрические промышленные печи, М.—Л., 1948; Окороков Н. В., Электроплавильные печи черной металлургии, 3 изд., М., 1950.
Б. С. Барский.
Рис. 2. Дуговая сталеплавильная печь ДСП-200 ёмкостью 200 т: 1 – графитированный электрод диаметром 710 мм; 2 – электрододержатель; 3 – свод; 4 – водоохлаждаемое сводовое кольцо; 5 – цилиндрический кожух; 6 – водоохлаждаемая вспомогательная дверка; 7 – электромеханический механизм поворота печи вокруг вертикальной оси; 8 – электромеханический механизм наклона печи; 9 – сливной носок; 10 – подвижный токоподвод из водоохлаждаемых гибких кабелей; 11 – шток для вертикального перемещения системы стойка – рукав – электродержатель – электрод; 12 – токоподвод из охлаждаемых медных труб.
Рис. 1. Схемы дуговых печей: а – прямого действия; б – косвенного действия; в – с закрытой дугой.
Дуговая угольная лампа
Дугова'я у'гольная ла'мпа, газоразрядный источник света, в котором используется излучение электрического разряда между угольными электродами. Созданная Н. П. Яблочковым в 1876 для целей освещения, Д. у. л. получила распространение в 1-й половине 20 в. в связи с развитием прожекторостроения и кинопроекционной аппаратуры.
Д. у. л. работает обычно на постоянном токе с последовательно включённым балластным сопротивлением. Она состоит из двух угольных электродов, расположенных либо соосно, либо под углом 40—130° один к другому (положительный электрод, как правило, располагается горизонтально). Зажигание Д. у. л. производится сведением электродов до соприкосновения (с последующим разведением их на некоторое расстояние) или с помощью вспомогательного электрода. Во время работы лампы происходит сгорание и испарение электродов, расстояние между ними поддерживается автоматически. Различают Д. у. л. простую (электроды из углеродистых материалов), пламенную (в анод добавлены соли металлов – пламенные вещества) и высокой интенсивности дуги. В Д. у. л. высокой интенсивности, получившей наибольшее распространение, анод изготовляют с фитилём, содержащим в основном соли редкоземельных элементов. Такая Д. у. л. отличается большими значениями мощности (свыше 100 квт), тока (свыше 1000 а), яркости (до 2000 Мнт) и энергетической яркости (до 12 Мвт·ср-1·м-2). Д. у. л. применяют в прожекторах и кинопроекционных аппаратах, в мощных облучательных установках (например, оптические печи). Дальнейшее совершенствование Д. у. л. идёт по пути увеличения плотности тока на аноде, продолжительности непрерывного цикла работы лампы и создания больших удобств в эксплуатации. Разрабатываются Д. у. л., работающие в инертной атмосфере и стабилизированные вихревым потоком газа.
Лит.: Карякин Н. А., Угольная дуга высокой интенсивности, М.—Л., 1948; Ласло Т. С., Оптические высокотемпературные печи, пер. с англ., М., 1968; Оптические печи, М., 1969; Finkelnburg W., Hochstrornkohlebogen, В., 1948.
Г. С. Сарычев.
Дуговая электросварка
Дугова'я электросва'рка, см. Электросварка.
Дуговой генератор
Дугово'й генера'тор, устройство, преобразующее энергию постоянного тока в электромагнитные колебания высокой частоты при помощи дугового разряда через зазор, подключённый параллельно цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности (рис.). В колебательном контуре, состоящем из указанных конденсатора и катушки индуктивности и воздушного промежутка, возбуждаются и поддерживаются колебания. Манипуляция колебаний для посылки телеграфных сигналов производилась закорачиванием витков катушки индуктивности колебательного контура. Вследствие серьёзных недостатков (неустойчивости частоты генерируемых колебаний и др.) Д. г. был заменён машинными генераторами высокой частоты и затем ламповыми генераторами. См. Генератор повышенной частоты, и Генерирование электрических колебаний.
Ю. В. Любченко.
Схема дугового генератора: Др – дроссель, препятствующий проникновению токов высокой частоты в источник электрического питания с напряжением Е; А – воздушный промежуток между электродами, в котором возникает дуговой разряд; R – сопротивление потерь электрической мощности в колебательном контуре; L – катушка индуктивности; С – конденсатор; RП – резистор, ограничивающий электрический ток источника питания.
Дуговой разряд
Дугово'й разря'д, один из типов стационарного электрического разряда в газах. Впервые наблюдался между двумя угольными электродами в воздухе в 1802 В. В. Петровым и независимо в 1808—09 Г. Дэви. Светящийся токовый канал этого разряда был дугообразно изогнут, что и обусловило название Д. р.
Формированию Д. р. предшествует короткий нестационарный процесс в пространстве между электродами – разрядном промежутке. Длительность этого процесса (время установления Д. р.) обычно ~ 10-6—10-4сек в зависимости от давления и рода газа, длины разрядного промежутка, состояния поверхностей электродов и т.д. Д. р. получают, ионизуя газ в разрядном промежутке (например, с помощью вспомогательного, так называемого поджигающего электрода). В др. случаях для получения Д. р. разогревают один или оба электрода до высокой температуры либо раздвигают сомкнутые на короткое время электроды. Д. р. может также возникнуть в результате пробоя электрического разрядного промежутка при кратковременном резком повышении напряжения между электродами. Если пробой происходит при давлении газа, близком к атмосферному, то нестационарным процессом, предшествующим Д. р., является искровой разряд.
Типичные параметры Д. р. Для Д. р. характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа – от менее 10-5мм рт. ст. до сотен атм; разность потенциалов между электродами Д. р. может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт (высоковольтный Д. р.). Д. р. может протекать не только при постоянном, но и при переменном напряжении между электродами. Однако полупериод переменного напряжения обычно намного больше времени установления Д. р., что позволяет рассматривать каждый электрод в течение одного полупериода как катод, а в следующем полупериоде – как анод. Отличительными особенностями всех форм Д. р. (тесно связанными с характером эмиссии электронов из катода в этом типе разряда) являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение в Д. р. обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 в); плотность тока на катоде составляет 102—107а/см2. При столь большой плотности тока сила тока в Д. р. обычно также велика – порядка 1—10 a и выше, а в некоторых формах Д. р. достигает многих сотен и тысяч ампер. Однако существуют и Д. р. с малой силой тока (например, Д. р. с ртутным катодом может гореть при токах 0,1 a и ниже).
Электронная эмиссия в Д. р. Коренное отличие Д. р. от др. типов стационарного электрического разряда в газе заключается в характере элементарных процессов, происходящих на катоде и в прикатодной области. Если в тлеющем разряде и отрицательном коронном разряде имеет место вторичная электронная эмиссия, то в Д. р. электроны вылетают из катода в процессах термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии (называется также туннельной эмиссией). Когда в Д. р. происходит только первый из этих процессов, его называют термоэмиссионным. Интенсивность термоэмиссии определяется температурой катода; поэтому для существования термоэмиссионного Д. р. необходимо, чтобы катод или отдельные его участки были разогреты до высокой температуры. Такой разогрев осуществляют, подключая катод к вспомогательному источнику энергии (Д. р. с внешним накалом; Д. р. с искусственным подогревом). Термоэмиссионный Д. р. возникает и в том случае, когда температуру катода в достаточной степени повышают удары положительных ионов, образующихся в разрядном промежутке и ускоряемых электрическим полем по направлению к катоду. Однако чаще при Д. р. без искусственного подогрева интенсивность термоэлектронной эмиссии слишком мала для поддержания разряда, и значительную роль играет процесс автоэлектронной эмиссии. Сочетание этих двух видов эмиссии носит название термоавтоэмиссии.
Автоэлектронная эмиссия из катода требует существования у его поверхности сильного электрического поля. Такое поле в Д. р. создаётся объёмным зарядом положительных ионов, удалённым от катода на расстояние порядка длины свободного пробега этих ионов (10-6—10-4см). Расчёты показывают, что автоэлектронная эмиссия не может самостоятельно поддерживать Д. р. и всегда в той или иной степени сопровождается термоэлектронной эмиссией. Вследствие сложности исследования процессов в тонком прикатодном слое при высоких плотностях тока экспериментальных данных о роли автоэлектронной эмиссии в Д. р. накоплено ещё недостаточно. Теоретический же анализ пока не может удовлетворительно объяснить все явления, наблюдаемые в различных формах Д. р.
Связь между характеристиками Д. р. и процессами эмиссии. Слой, в котором возникает электрическое поле, вызывающее автоэлектронную эмиссию, настолько тонок, что не создаёт большого падения разности потенциалов у катода. Однако для того чтобы это поле было достаточно сильным, плотность объёмного заряда ионов у катода, а следовательно, и плотность ионного тока должны быть велики. Термоэлектронная эмиссия также может происходить при малой кинетической энергии ионов у катода (т. е. при малом катодном падении), но требует в этих условиях высокой плотности тока – катод нагревается тем сильнее, чем больше число бомбардирующих его ионов. Т. о., отличительные черты Д. р. (малое катодное падение и высокая плотность тока) обусловлены характером прикатодных процессов.
Плазма Д. р. Разрядный промежуток Д. р. заполняет плазма, состоящая из электронов, ионов, нейтральных и возбуждённых атомов и молекул рабочего газа и вещества электродов. Средние энергии частиц различного сорта в плазме Д. р. могут быть разными. Поэтому, говоря о температуре Д. р., различают ионную температуру, электронную температуру и температуру нейтральной компоненты. В случае равенства этих температур плазму называют изотермической.
Несамостоятельный Д. р. Несамостоятельным называется Д. р. с искусственным подогревом катода, поскольку поддержание такого разряда нельзя осуществить за счёт его собственной энергии: при выключении внешнего источника накала он гаснет. Разряд легко зажигается без вспомогательных поджигающих электродов. Повышение напряжения такого Д. р. вначале усиливает его ток до величины, определяемой интенсивностью термоэлектронной эмиссии из катода при данной температуре накала. Затем вплоть до некоторого критического напряжения ток остаётся почти постоянным (так называемый свободный режим). Когда напряжение превышает критическое, характер эмиссии из катода меняется: существенную роль в ней начинают играть фотоэффект и вторичная электронная эмиссия (энергия положительных ионов становится достаточной для выбивания электронов из катода). Это приводит к резкому возрастанию тока разряда – он переходит в несвободный режим.
При определённых условиях Д. р. с искусственным подогревом продолжает устойчиво гореть, когда напряжение между электродами понижают до значений, меньших не только ионизационного потенциала рабочего газа, но и наименьшего его потенциала возбуждения. Эту форму Д. р. называют низковольтной дугой. Её существование обусловлено возникновением вблизи катода максимума потенциала, превышающего потенциал анода и близкого к первому потенциалу возбуждения газа, вследствие чего становится возможной ступенчатая ионизация (см. Ионизация).
Самостоятельный Д. р. Поддержание такого Д. р. осуществляется за счёт энергии самого разряда. На тугоплавких катодах (вольфрам, молибден, графит) самостоятельный Д. р. носит чисто термоэмиссионный характер – бомбардировка положительными ионами нагревает катод до очень высокой температуры. Вещество легкоплавкого катода интенсивно испаряется при Д. р.; испарение охлаждает катод, и его температура не достигает значений, при которых разряд может поддерживаться одной термоэлектронной эмиссией – наряду с ней происходит автоэлектронная эмиссия.
Самостоятельный Д. р. может существовать как при крайне малых давлениях газа (так называемые вакуумные дуги), так и при высоких давлениях. Плазму самостоятельного Д. р. низкого давления отличает неизотермичность: ионная температура лишь ненамного превышает температуру нейтрального газа в пространстве, окружающем область разряда, в то время как электронная температура достигает десятков тысяч градусов, а в узких трубках и при больших токах – сотен тысяч. Объясняется это тем, что более подвижные электроны, получая энергию от электрического поля, не успевают передать её тяжёлым частицам в редких столкновениях.
В Д. р. высокого давления плазма изотермична (точнее – квазиизотермична, т. к., хотя температуры всех компонент равны, температура в разных участках столба Д. р. не одинакова). Эта форма Д. р. характеризуется значительной силой тока (от 10 до 103а) и высокой температурой плазмы (порядка 104К). Наибольшие температуры в таком Д. р. достигаются при охлаждении дуги потоком жидкости или газа – токовый канал «охлаждаемой дуги» становится тоньше и при той же величине тока нагревается сильнее. Именно эту форму Д. р. называют электрической дугой – под действием направленных извне или конвекционных, вызванных самим разрядом, потоков газа токовый канал Д. р. изгибается.
Катодные пятна. Самостоятельный Д. р. на легкоплавких катодах отличает то, что термоавтоэмиссия электронов происходит в нём лишь с небольших участков катода – так называемых катодных пятен. Малые размеры этих пятен (менее 10-2см) обусловлены пинч-эффектом – стягиванием токового канала его собственным магнитным полем. Плотность тока в катодном пятне зависит от материала катода и может достигать десятков тысяч а/см2. Поэтому в катодных пятнах происходит интенсивная эрозия – из них вылетают струи паров вещества катода со скоростью порядка 106см/сек. Катодные пятна образуются и при Д. р. на тугоплавких катодах, если давление рабочего газа меньше примерно 102мм рт. cт. При более высоких давлениях термоавтоэмиссионный Д. р. с хаотически перемещающимися по катоду катодными пятнами переходит в термоэмиссионный Д. р. без катодного пятна.
Применения Д. р. Д. р. широко применяется в дуговых печах для выплавки металлов, в газоразрядных источниках света, при электросварке, служит источником плазмы в плазматронах. Различные формы Д. р. возникают в газонаполненных и вакуумных преобразователях электрического тока (ртутных выпрямителях тока, газовых и вакуумных выключателях электрических и т.п.). Д. р. с искусственным подогревом катода используется в люминесцентных лампах, газотронах, тиратронах, ионных источниках и источниках электронных пучков.
Лит.: Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Кесаев И. Г., Катодные процессы электрической дуги, М., 1968; Финкельнбург В., Meккep Г., Электрические дуги и термическая плазма, пер. с нем., М., 1961; Энгель А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Капцов Н. А., Электрические явления в газах и вакууме, М.—Л., 1947.
А. К. Мусин.
