НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ 

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

                                   

 

Электромеханика и электротехническое оборудование

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В0718 - Электроэнергетика

 

  

 Алматы 2009

СОСТАВИТЕЛЬ: А.В.Болотов Электромеханика и электротехническое оборудование. Раздел: «Электротехнологические установки и системы». Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В0718 - Электроэнергетика 

Конспект адресуется студентам, обучающимся по специальности 5В0718 – Электроэнергетика (бакалавриат), и может быть полезен лицам, обучающимся по смежным специальностям.

Раздел «Электротехнологические установки и системы» входит  в

типовой  учебный  план  по дисциплине Электромеханика и электротехническое оборудование для специальности 5В0718 – Электроэнергетика (бакалавриат).

 

Содержание 

1

Введение

4

2

Лекция 1. Презентация электротехнологии

5

3

Лекция 2. Электротехнологические процессы в металлургии чёрных и цветных металлов, в производстве ферросплавов и   огнеупоров

6

4

Лекция 3. Электрическая дуга  и технологическая плазма – энергетическая основа высокотемпературных  процессов

8

5

Лекция 4. Электрическая  дуговая сварка металлов, новое поколение сварочного оборудования с микропроцессорным управлением

10

6

Лекция 5. Электрохимические  процессы  при  производстве  металлов

13

7

Лекция 6. Нагрев по закону Джоуля – Ленца, нагревательные установки и контактная сварка металлов

15

8

Лекция 7.  Индукционный нагрев проводников  и  высокочастотный нагрев диэлектриков

18

9

Лекция 8. Установки   лазерной,  электронно – лучевой  и  ионной

технологии

21

10

Заключения

28

11

Список литературы

29

 

Введение 

Согласно учебному плану студенты специальности 050718 – «Электроэнергетика» изучают курс   «Электромеханика и электротехническое оборудование», в который входит раздел «Электротехнологические  установки  и системы».

 

Цель этого раздела  – показать физические основы и технологические возможности преобразования электрической энергии в другие виды энергии непосредственно в обрабатываемом веществе, находящемся в твердом, жидком, газообразном или плазменном состоянии, а также основанные на этих преобразованиях технологические процессы и установки.

 

Задачи раздела  – изучить процессы, протекающие в проводниках, диэлектриках, жидкости, газах и плазме под  действием электрических и магнитных полей, изучить технологические  установки, реализующие эти процессы для получения материалов с наперед заданными свойствами, обеспечивающие создание современных транспортных средств – автомобилей, самолетов, надводного и подводного транспорта, радио – электронной аппаратуры, компьютеров, объектов строительной индустрии.


1 Лекция. Презентация  «Электротехнологии»

 

Содержание лекции: Электротехнология – основа материальной культуры человечества.

Цели лекции: Изучить использование электротехнических процессов и установок в различных направлениях деятельности человека.

 

Электротехнология – это преобразование неорганических и органических веществ, находящихся в любом агрегатном состоянии – твердом, жидком, газообразном  или плазменном, под действием электрических и магнитных полей или проходящего по веществам электрического тока с целью придания веществам новых свойств в процессах производства  ценной  продукции и  различных  изделий.

Электротехнология  – это преобразование электрической  или электромагнитной энергии в другие виды энергии – кинетическую энергию электронов и ионов, оптическое излучение, в тепловую и механическую энергию непосредственно в обрабатываемом веществе,  это процесс, целенаправленно изменяющий свойства или функции вещества. Электротехнология – это высший уровень электрификации деятельности человека.

«Для материальной культуры человечества электротехнология,  как наука, сделала больше, чем все науки,  вместе  взятые» - девиз «Всемирного электротехнического конгресса».

Электротехнология  обеспечила  создание и работу компьютеров, средств телевидения и радиосвязи, глобальной сети Интернет,  электронной фотографии и аппаратуры автоматического управления объектами, средств космической и авиационной техники, автомобильного, железнодорожного, надводного и подводного  транспорта, объектов строительной индустрии. Электротехнологическими способами производят  сверхпрочные стали, получают алюминий, медь, титан, чистые драгоценные металлы - золото, платину, магнитные, проводниковые  и сверхпроводящие материалы, выращивают активные элементы оптических квантовых генераторов - лазеров.

Электротехнологические установки  производят очистку сточных вод и отработавших газов промышленных предприятий, обеспечивают получение чистой  воды  питьевого качества, осуществляют переработку материалов в нефтехимии, контролируют загазованность атмосферы.

Всё, что достоверно известно об объектах  живой  природы, о человеке, получается с использованием электротехнологической аппаратуры – электронных микроскопов, томографов и лазерных микрозондов, рентгеновских, ультразвуковых аппаратов и других сложных электронных приборов.

Электротехнологические процессы и установки экономно и рационально используют электрическую энергию, обеспечивают решение актуальной задачи современности – энергосбережение – сокращение  энергии, расходуемой на выпуск единицы продукции, и, как следствие, сокращение выбросов тепла и производственных отходов в окружающую среду.

Электротехнологические  установки предъявляют высокие требования к надёжности электроснабжения и качеству подводимой электроэнергии. Под их влиянием разработаны современные системы электроснабжения городов и промышленных предприятий, трансформаторы, преобразователи частоты и источники постоянного тока, а для питания особо важных потребителей разработаны и широко используются системы бесперебойного электропитания.

Электротехнология обеспечивает выпуск самой наукоемкой  и дорогостоящей продукции, приближает создание искусственного мозга.

Наблюдающееся быстрое  развитие  экономики таких стран, как Япония, Южная Корея, Китай, на фоне других стран, - в большой степени результат широкого использования там электротехнологических процессов и установок.

В Республике Казахстан электротехнологические процессы используются в металлургии черных и цветных металлов, при получении алюминия, фосфора и огнеупорных материалов, в нефтехимии, машиностроении, в строительной индустрии, медицине и во многих других направлениях.

Программой инновационного и технологического развития страны предполагается расширение в Казахстане производства наукоемкой, конкурентноспособной на мировом рынке продукции и, как следствие, дальнейшее увеличение потребности в специалистах для разработки, монтажа, наладки и эксплуатации электротехнологических установок различного назначения и мощности.

Изучение электротехнологии  расширяет кругозор и  сферы применения инженеров – электриков, познающих возможности ЭЛЕКТРИЧЕСТВА.

 

2 Лекция. Электротехнологические процессы в металлургии чёрных и цветных металлов, производстве ферросплавов и огнеупоров

 

Содержание лекции: Методы использования электротехнологических установок при получении  металлов и  неметаллических материалов.

Цели лекции: Изучить основные электротехнологические процессы с использованием дуговых и руднотермических печей.

 

Производство стали. Сталь – это сплав на основе железа, содержащий элементы, обеспечивающие его высокую прочность, коррозионную стойкость, жаропрочность, особые магнитные  и электротехнические свойства стали. В разных сортах стали  присутствуют хром, никель, титан, молибден, вольфрам, марганец, углерод, кремний, алюминий и другие элементы, вносимые ферросплавами.

Большую часть стали с различными свойствами производят из вторичного сырья – металлического лома с добавлением чугуна или железной руды, а также ферросплавов в дуговых сталеплавильных печах (ДСП), получают слитки для дальнейшего передела или готовые изделия при непрерывной разливке расплава.

Огромное значение стали, для современной экономики, следует из того, что 95% всей металлической продукции составляет сталь и только 5% другие металлы.

 Классификация дуговых печей.

Дуговые печи косвенного действия, в которых электрическая дуга горит между горизонтальными электродами, расположенными над нагреваемым материалом, а теплообмен между дугой и материалом осуществляется в основном за счёт излучения.

Дуговые печи прямого действия. В них дуга горит между концами электродов и электропроводным нагреваемым материалом. Нагрев материала осуществляется при выделении энергии в опорных пятнах дуги, выделении энергии в расплаве при протекании по нему тока в соответствии с законом  Джоуля – Ленца, за счет излучения плазмы, конвекции и теплопроводности в печном пространстве.

Вакуумные дуговые печи. В них дуга горит в атмосфере инертных газов или паров переплавляемого металла при низком давлении. Они применяются для переплава  металлов с целью повышения их качества металлов.

Плазменно-дуговые  плавильные установки. Здесь тепловая нагрузка на расплавляемый материал создается совместным действием опорных пятен дуги и совмещённой с ней струей плазмы инертных газов.

В цветной металлургии в  дуговых электропечах косвенного и прямого действия производится плавка медных концентратов, восстановительная  плавка для   получения металлического  никеля и других металлов.

Электродуговые сталеплавильные печи прямого действия (ДСП) представляют собой мощные  электроприёмники, относящиеся ко второй категории по надежности электроснабжения. В состав оборудования печных установок входят специальные печные трансформаторы, дроссели, обеспечивающие устойчивое горение дуг, компенсаторы реактивной нагрузки, специфическая коммутационная аппаратура, компьютеры, управляющие соблюдением необходимого рецепта стали и ходом технологического процесса.

Дуговые печи сопротивления или  рудно-термические печи – (РТП). Такое название дано печам, в которых дуга горит под слоем шихты. Тепловая энергия выделяется в дуговом разряде, а также при протекании тока через электропроводную часть шихты. Номенклатура продуктов, получаемых в РТП, весьма широка. В металлургии чёрных металлов РТП применяются для выплавки  ферросплавов, добавляемых впоследствии в сталь для повышения её качества.

В химической промышленности  РТП используются при получении фосфора для дальнейшего производства удобрений, кормовых и пищевых фосфатов, моющих средств. Особое значение имеет производство карбида кальция, являющегося сырьём для производства ацетилена, из которого в дальнейшем получаются синтетический каучук, пластмассы, химическое волокно.

Получаемые в РТП абразивные материалы – электрокорунды разных типов идут на изготовление абразивного инструмента и порошков.

Значительное место в сфере использования РТП занимает производство электроплавленных огнеупоров, применяемых при изготовлении металлургических и стекловаренных печей, многих других высокотемпературных агрегатов. Общими признаками РТП являются:

 -  параллельное участие в процессе нелинейных проводников – шихты, её расплава и электрической дуги;

 - температура процесса 1200÷2200ºК, что определяет высокий расход энергии на выпуск продукции;

- непрерывный в течение 2 ÷3 лет круглосуточный режим работы.

Технология производства ряда высококачественных огнеупорных материалов разработана в АИЭС и освоена на предприятиях Казахстана, России и Украины.

 

3 Лекция. Электрическая дуга  и технологическая плазма - энергетическая основа  высокотемпературных  процессов

 

Содержание лекции: Свойства электрической дуги и технологической плазмы, используемые при обработке материалов, примеры технологических процессов.

Цели лекции: Изучить основные характеристики электрической дуги и технологической плазмы  и ряд  высокотемпературных процессов с их использованием. 

 

Электрический дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10³÷106А\см²), высокой температурой плазмы, достигающей (4,5÷15)∙10³К и выше. В структуре дуги различаются прилегающие к электродам области катодного и анодного падения потенциала протяженностью несколько пробегов электрона, оставляющие на электродах следы, называемые электродными пятнами. Между ними располагается столб электрической дуги, который может иметь различную форму и длину от нескольких миллиметров, как при электрической сварке металлов, нескольких сантиметров, как в дуговых печах, до 6 ÷ 9 метров, как в мощных дуговых генераторах плазмы.

Выделяющаяся на катоде и аноде мощность  в основном определяется током дуги и достигает такой величины, когда ни один из известных материалов не может выдерживать её дольше нескольких минут и разрушается в режиме плавления или испарения. Это свойство дуги используется при плавке и сварке металлов, нанесении на метал защитных покрытий. Столб дуги имеет специфическую вольт – амперную характеристику (ВАХ), отличающуюся от ВАХ металлического проводника. ВАХ дуги – зависимость тока от напряжения, имеет падающую, горизонтальную и восходящую участки. Каждому участку соответствует определенный уровень достигаемых температур: на падающее– (4,5÷7,0)10³К,  на горизонтальном–(8÷12)10³К, на восходящем – (15 ÷55)10³К. ВАХ дуги зависит от состава плазмообразующих газов и возрастает при переходе от аргона к воздуху, азоту  водороду. Она также возрастает при повышении скорости обдува газами, окружающего давления и при наличии  внешнего магнитного поля. При воздействии на эти факторы достигаются широчайшие возможности регулирования параметров дуги и технологических процессов. Устойчивое горение дуги при плавке или сварке металлов обеспечивается специальными источниками тока, имеющими нагрузочную характеристику, согласованную с ВАХ дуги. В технологических дуговых разрядах реализуется мощность от 1кВт (сварка) до 50000кВт (дуговые печи и генераторы плазмы).

Плазменные технологии – быстроразвивающаяся отрасль промышленности, возникшая при решении задач создания комической техники. С использованием плазмотронов и плазменной технологии созданы не только новые материалы, обладающие высокими  качествами - прочностью, легкостью, огнеупорностью, но и аппаратура для эффективной обработки этих материалов.

Основополагающие работы по созданию генераторов технологической плазмы выполнены в Алматинском институте энергетики и связи.

С использованием генераторов плазмы различных схем осуществляется ряд важных технологических процессов.

Скоростная резка нержавеющей стали, меди и её сплавов, алюминия и его сплавов, тугоплавких металлов.

Плазменное нанесение тонких пленок полупроводниковых и диэлектрических материалов открыло возможности производства современных средств электронной техники. Технологические установки оборудованы микропроцессорами, компьютерами, обеспечивающими высокое качество процессов.

Плазменная сварка и пайка при токах 200÷400А, микроплазменная сварка при токах 0,1÷20А обеспечивают высококачественное соединение деталей при ремонтных и производственных работах в машиностроении и приборостроении.

Плазменный переплав металлургического сырья позволяет получать металлы в соответствии с требованиями создания новой техники. Они обеспечивают высокую долговечность самолетов, автомобилей, низкий расход энергии при их работе.

Плазменные технологические процессы в химии, характеризующиеся следующим:

- высокими энергиями (температурами) реагирующих компонентов и большими скоростями процессов;

- одностадийностью перевода сырья в конечный продукт без промежуточных переделов.

Например, получение пигментного оксида титана  для производства титановых белил проходит по схеме:

TiCl4 + O2 (плазма, 4200ºK) → TiO2 + 2Cl2, где хлор также является ценным продуктом.

Ацетилен и водород из природного и попутного газа получаются  по схеме:

2CH4 + H2 (водород, плазма 3600ºK) → C2H 2   + 4H2. 

Здесь водород является также ценным продуктом, в связи со стремлением перевода транспорта на высококалорийное и экологически чистое топливо.

Производство тугоплавких металлов из оксидов происходит по схеме

MeO2 + H2 (плазма, 4500ºK)  → Ме  +  H2O.

В этих процессах используются генераторы плазмы с газовой вихревой стабилизацией дуги мощностью от 350 до 10000 кВт, с напряжением на стабильно горящей дуге порядка 10000 В.

В состав электрооборудования плазменных технологических установок

(ПТУ), кроме собственно генератора плазмы, входят полупроводниковые источники питания, выпрямители, системы высоковольтного старта дугового разряда, автоматизированные системы подачи компонентов процесса, охлаждающей воды, измерения и  анализа параметров процесса, вывода готового продукта. Плазменные установки обслуживаются компьютерными комплексами. Электроснабжение плазменных электротехнологических установок производится от специальных трансформаторных подстанций, входящих, как правило, в сферу деятельности персонала, работающего на ПТУ, что учитывается при их подготовке.

 

4 Лекция. Электрическая  дуговая сварка металлов, новое поколение  сварочного оборудования с микропроцессорным управлением

 

Содержание лекции: Энергетические основы дуговой сварки, разновидности способов сварки, оборудование.

Цели лекции: Изучить особенности сварочной дуги,  новые способы сварки металлов и электросварочное оборудование.

 

Электрическая сварка – это процесс получения неразъёмных соединений путем сплавления мест соединений  за счёт энергии электрической дуги, горящей между электродом и свариваемыми частями соединения.

(Пайка – соединение двух металлов с помощью третьего металла).

Расплавляясь под действием дуги, кромки свариваемых деталей и торец стержневого электрода образуют сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Сварка представляет собой комплекс металлургических и физико-химических процессов, протекающих при высоких температурах в сварочной ванне и прилегающих к ней слоях металла. При этом в металл сварочного шва вводятся различные элементы, увеличивающие его прочность.

Мощность сварочной дуги, необходимая для реализации процесса, определяется необходимой скоростью сварки и количеством наплавляемого шов металла за время горения дуги. Металл расплавляемого электрода  переносится в сварочную ванну  в виде капель, размеры капель зависят от состава и температуры металла и находятся в пределах 1,5÷3 мм. Процесс идет устойчиво, когда между торцом электрод и поверхностью сварочной ванны  находится 1,5÷4 капли металла, что определяет необходимую длину дуги. Мощность сварочной дуги определяется выражением:

где  Ua – анодное падение напряжения 6÷10В;

          Uk – катодное  падение напряжения 8÷14В;

          Uc – напряжение на столбе дуги длиной 5÷7мм в объёме паров металла и металлических капель имеет величину 6÷10В.

Общее напряжение на дуге  Uд cоставляет 20÷42В и мало зависит от режима сварки, поэтому мощность дуги регулируют величиной сварочного тока, а источники питания дуги называются источниками тока. Напряжение холостого хода источников питания составляет (1,3÷2,2)Uд  и находится в пределах 40÷85В. Это безопасно для жизни человека, что в сочетании с высокими технологическими возможностями обеспечило широкое распространение дуговой сварки. Величина сварочного тока определяется  в основном толщиной свариваемого металла, диметром применяемых электродов, скоростью сварки и находится в пределах 20÷800А.  

Значение дуговой сварки невозможно переоценить. Все металлические конструкции – каркасы высотных зданий, дворцов, выдающихся архитектурных сооружений, корпуса морских судов, железнодорожного и автомобильного транспорта, водопровод, трубопроводы и терминалы нефтегазового комплекса, технологические объекты металлургических и нефтеперерабатывающих заводов построены из стальных конструкций, собранных из деталей методом дуговой сварки. Пирамида Дворца Мира  и Согласия в Астане, высочайшая в мире Пирамида в Москве, Эйфелева башня в Париже, телевизионная вышка в Алматы  показывают, что сварка является не только способом соединения металлов, но и технологической основой разработки и проектирования  новых конструкций, развивающей творческие замыслы архитекторов и конструкторов.

Создание сварных конструкций с высокими техническими и экономическими показателями всегда связано с необходимостью выбора способа сварки.

Ручная сварка штучными электродами распространена в строительстве зданий и сооружений, при ремонтах оборудования. Для ее выполнения используются переносные источники сварочного тока весом от 4,6 до 18 кГ, размещаемые в непосредственной близости к месту сварки. Качество сварочных швов обеспечивается правильным подбором материала и обмазки электродов и параметров сварки, квалификацией и искусством сварщиков.

За последнее десятилетие в сварочном производстве  всё более широкое применение находят технологии полуавтоматической и автоматической сварки плавящейся электродной проволокой диаметром 0,6÷3,2мм  в защитных газах. Они применимы для сварки подавляющего большинства металлов и сплавов и отличается большим  разнообразием приёмов, высоким качеством сварных соединений, экономичностью.

Полуавтоматическая сварка имеет несколько разновидностей и обозначений: ГМА (GMA- Gas Metal Arc) – дуговая сварка металлов плавящейся электродной проволокой в  газовой  среде (общее название).

МИГ (MIG  – Metal Inert Gas) – сварка в среде аргона Ar или гелия He.

МАГ (MAGMetal Active Gas) – сварка в среде углекислоты СО2 или азота.

Установка для полуавтоматической сварки состоит из следующих основных компонентов:

- устройство подачи присадочной проволок, с кассетой с проволокой и регулируемым электроприводом, обеспечивающим плавное регулирование скорости подач проволоки  от 1 до 20м\мин;

- сварочная головка с  подвижным держателем, гибкими шлангами и кабелями;

- газовая аппаратура – баллоны с газами, редукторы, расходомеры, клапаны подачи  и  подогреватели газов;

- источник сварочного тока  с управляемой внешней характеристикой инвертора в сочетании с вычислительными технологиями и микропроцессором;

- блок управления сварочным процессом -   величиной тока и напряжения дуги по осциллограмме тока в соответствии с требованиями технологии в каждый конкретный момент времени, скоростью подачи сварочной проволоки в зависимости от мгновенного значения тока, расходом защитного газа;

- программное обеспечение позволяет использовать персональный компьютер для проектирования сварочного процесса и дальнейшей корректировки режимов сварки; 

- установки, оборудованные WIG – Sinergic системой, применяются  при ручной сварке штучными электродами  и проволокой в полностью автоматизированных сварочных процессах с роботами и дистанционным управлением.

В настоящее время осваивается  новый  вид высокопроизводительной сварки -  «HIGH – SPEED – MAG» - сварка  проволочным  электродом при скорости его подачи до 30 м/мин  в режиме струйного  или  ротационного переноса металла  в сварочный  шов.

Дуговая сварка сопровождается сильным излучением дуги и плазмы, выделением газов и брызг металла, представляющих опасность для здоровья сварщика. Для преодоления этого выпускаются индивидуальные средства защиты:

- защитные маски - шлемы, с самозатемняющимися стёклами, автоматически переключающимися от светлого в тёмное состояние и обратно за время 0,1÷0,9мс, оборудованные газовыми фильтрами, создают комфортные условия для работы  сварщика.

- газоаэрозольные фильтры и шлемы с подачей свежего воздуха позволяют работать в замкнутых помещениях и при недостатке пригодного для дыхания воздуха.

Изучение этого раздела курса сопровождается приобретением навыков выполнения сварочных работ, что необходимо для специалиста – электрика широкого профиля.

 

5 Лекция. Электрохимические  процессы  при  производстве  металлов

 

Содержание лекции: Энергетические основы и промышленное применение электролиза.

Цели лекции: Изучить электролизный процесс и применение электролиза при получении металлов и водорода.

 

Явление выделения вещества на электродах, погруженных в электролит, при прохождении через него тока, называемое электролизом, осуществляемое в соответствии с законом Фарадея, широко используется на предприятиях Республики Казахстан для получения чистых металлов путем анодного растворения чернового металла и его катодного осаждения из растворов и расплавов. В ближайшем будущем при реализации программы «Алюминий Казахстана» на базе Павлодарского алюминиевого сырья - глинозема - будет освоено производство алюминия путем электролиза  расплава.

Вещества, у которых нормальный электродный потенциал больше -1 по отношению к потенциалу нормального водородного электрода, получают путем электролиза растворов (медь, цинк, никель). Металлы с нормальным потенциалом меньше – 1 получить таким путем невозможно. Поэтому при их производстве применяют электролиз расплавов соединений этих металлов (алюминий, магний, калий, литий).

Электролиз производится в ванне, называемой электролизёром, содержащей два электрода и электролит. На аноде переход металла из металлического состояния в ионное происходит в результате отдачи металлом электронов

Ме0ne  → Men+ 

где  nе – число электронов (анодное растворение).

На катоде ион приобретает электроны и переходит в металлическое состояние      Меn+ + neMe0     (катодное  осаждение).

Напряжение на электролизной ванне  состоит из четырех составляющих: напряжения электрохимического разложения вещества, прианодного и прикатодного падений потенциала и падения напряжения на электролите:

в свою очередь, падение напряжения на электролите

         где  I – сила тока через ванну;

          l – расстояние между электродами;

          σ – проводимость электролита.

Энергия, выделяющаяся в ванне при электролизе, определяется выражением

 и  расходуется  на электрохимическое разложение вещества, перенос ионов через электролит, восстановление металла и нагрев ванны. Процесс характеризуется  рядом показателей, в том числе - выход металла по току и выход по энергии. Последний показатель  имеет размерность  г/Дж  и определяет качество ванны и процесса – количество металла в граммах, выделившееся на 1Дж  затраченной энергии.

Характеристикой, определяющей интенсивность электролиза, является  электродная  плотность тока

         где I – cила тока, А; 

          S – площадь электрода, м2.

 При электролизе  меди  используются  пластинчатые аноды из черновой меди  весом около 300кГ, катоды изготавливаются из катодной меди также в виде пластин толщиной 0,6÷0,7мм. Расстояние между соседними поверхностями электродов  составляет 35÷40мм. В качестве электролита используется серная  кислота. Напряжение на электродах 0,3÷0,35В, плотность тока 180÷270А/м2, удельный расход электроэнергии составляет 200÷379 кВт.ч/т меди.

Металлический цинк получается при электролизе  растворов его солей. В электролизной ванне устанавливаются алюминиевые  катоды и свинцовые аноды, электролитом служит раствор сернокислого цинка. Расход электроэнергии около 3500 кВт.ч на тонну цинка.

Алюминий, имеющий нормальный потенциал алюминия - 1,67В, получается при электролизе раствора оксида алюминия  Al2O3 в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 9500С. Применяются угольные электроды при плотности тока 0,7÷1,0 А/см2, рабочий ток электролизера от 40÷50, 60÷80, 100÷160 до 200÷250кА, расход электроэнергии составляет 14000÷16500 кВт.ч на 1 тонну металла.

Магний получается электролитическим методом при температуре 700гр.С.

Электролиз воды – крупнотоннажный  процесс будущего.

Современная тенденция перевода всех видов транспорта на экологически чистое топливо предполагает использование для этих целей водорода. Уже сейчас на водороде летают самолеты, ездят новые модели автомобилей. Запасы водорода в воде мирового океана безграничны. При получении электроэнергии на атомных, ветровых, солнечных, гидравлических электростанциях водородная транспортная энергетика – реальный путь прекращения засорения окружающей среды. Второй продукт процесса разложения  воды – кислород имеет безграничные сферы применения.

Электролизер для разложения воды состоит из многих последовательно включённых ячеек. Напряжение на каждой ячейке 2,3 В, общее напряжение на электролизёре 368÷984 В, в зависимости от мощности и производительности, плотность тока на электродах 2500 А\ м2, общий ток электролизёра 7500÷10000 А, расход электроэнергии 5,6 кВт.ч \ м3.

Питание мощных электролизёров осуществляется от полупроводниковых выпрямителей с трансформаторами, обеспечивающими плавное регулирование тока при нагрузке тремя способами: на постоянное напряжение, на постоянную мощность, на постоянную величину тока. Электролизные установки являются мощными потребителями электроэнергии, в ряде случаев они главные потребители и градообразующие предприятия в городах и регионах.         

 

6 Лекция. Нагрев по закону Джоуля – Ленца, нагревательные установки  и контактная сварка металлов

 

Содержание лекции: Физические основы резистивного нагрева, резисторы, нагревательные установки, переходное сопротивление контактов и контактная сварка.

Цели лекции: Изучить способы создания резисторов и нагревательных установок, регулирование нагрева, изучить возможности  использования контактного сопротивления для соединения металлов.

 

Прямой электрический нагрев электропроводных материалов.

При включении электропроводных материалов в цепь электрического тока нагрев происходит в соответствии с законом Джоуля – Ленца.

Здесь электрическая энергия преобразуется в тепловую, которая, в свою очередь, распространяется в окружающем пространстве за счет излучения, как это происходит в электрических лампочках, когда электрон преобразуется в фотон. Конвекция используется в котлах для нагрева воды и получения пара, в фенах и калориферах, нагревающих воздух или другие газы в промышленных процессах. Теплопередача за счёт теплопроводности используется, например, в утюгах. В ряде технологических процессов, таких, как отражательная плавка металлов, выпечка хлеба, используются  лучистый теплообмен, конвекция и теплопроводность.

Необходимым условием преобразования электричества в теплоту является наличие в веществе свободных электронов, определяющих, в сочетании с длиной их свободного пробега, удельную проводимость вещества и сопротивление изготовленных из него проводников. Величина выделяющейся в нагреваемом теле мощности определяется выражением:

  ,   кВт

         где I – сила тока;

         σ – удельная  проводимость вещества, из которого изготовлен нагреватель;    

        L и S – соответственно длина и площадь поперечного сечения проводника.

        На практике для характеристики проводников используют величину  ρ, называемую удельным сопротивлением, обратную проводимости

 ,

При создании  нагревательных элементов - резисторов,  прежде всего, конструируют материал для их изготовления, имея в виду соотношение

 

         где е – заряд электрона,

          n – концентрация свободных электронов в материале,

          υ – интегральная подвижность (длина свободного пробега) электронов в материале, определяемая кристаллической структурой вещества, наличием разнородных кристаллов и примесей.

         Создавая материалы для нагревательных элементов, так подбирают их компоненты, чтобы подвижность (длина свободного пробега) электронов в них была наименьшей. По этому принципу созданы сплавы: - нихром - никель-хром-железо; фехраль – железо-хром-алюминий; материалы для спиралей электрических ламп из поликристаллического вольфрама с присадками тория, алюминия, кремния и калия, обладающие высоким удельным электрическим сопротивлением.

Величина электрической  энергии, преобразующейся в тепловую энергию, обеспечивается внутренним и внешним регулированием работы установок

         где   U – подводимое напряжение;

          I - ток, протекающий по цепи;

          t – время  включенного состояния установки;

          (ρL /S) – параметры  нагревательного элемента – резистора.

 

Считается, что электрический ток проходит по проводнику равномерно по  всему сечению, хотя в ряде случаев это не так.

Внутреннее регулирование мощности электротермических установок производится изменением длины и сечения нагревательных элементов, последовательным и параллельным соединением нагревательных элементов, переключением их  с треугольника на звезду.

Внешнее регулирование производится изменением величины подводимого напряжения U и временем включенного состояния t установок. При регулировании обеспечивается поддержание заданной температуры в технологическом агрегате по сигналам датчиков температуры в соответствии с технологическим  регламентом  процесса.

Новым достижением в электротермических процессах является прямой резистивный нагрев материалов с изменяющимися в процессе нагрева электрофизическими свойствами. Это - сварка вольфрамового порошка для производства проволоки ламповых спиралей, спекание графитовой массы при производстве электродов дуговых печей и карандашей, нагрев дисперсного сырья при производстве активированных углей.

Особенностью этих процессов является изменяющееся в широком диапазоне значение коэффициентов электропроводности σ и теплопроводности λ материала при изменении температуры в условиях сохранения постоянными геометрических размеров проводника. Принцип резистивного нагрева применим для обработки веществ, находящихся в твёрдом, жидком и плазменном состоянии.

Электрическое питание установок производится от низковольтной распределительной сети или от специальных трансформаторов с регулируемым выходным напряжением. Технологические режимы контролируются разнообразными датчиками температуры и обеспечиваются  автоматическими регуляторами.

Контактная сварка металлов – образование неразъемных соединений  сжатых деталей путем сплавления их в точках соприкосновения при кратковременном прохождении через них электрического тока с последующим застыванием расплава за счет теплопроводности в массу деталей. Контактная сварка имеет широкое распространение в машиностроении, автомобильной промышленности, при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры и изделий из металлов различного назначения.  

По способу получения соединений различают точечную,  роликовую и стыковую контактные сварки. При реализации первых  двух видов сварки  кратковременное сжатие деталей производится механическим приводом электродов сварочных машин, при стыковой сварке сжатие деталей, включаемых в цепь импульсного тока, осуществляется гидравлическими или пневматическими нажимными устройствами.

Контактное сопротивление соприкасающихся деталей образуется в результате наличия разности энергий электронов в их материалах, а также

из-за наличия на соединяемых поверхностях микронеровностей и загрязнений. Контактное сопротивление имеет небольшую величину порядка сотых и тысячных долей Ома. В процессе сварки в результате сплавления деталей сопротивление в месте сварки уменьшается до нуля, после чего дальнейшее прохождение тока нецелесообразно, и  ток прекращается. Соединенные  детали  какое то время удерживаются в сжатом состоянии, пока не затвердеет металл в точке сварки, а затем освобождаются.

Энергия, выделяющаяся в точке сварки, определяется выражением

         где Rk – контактное  сопротивление  между деталями;

          Rd – сопротивление детали от электрода до места сварки;

          I – сварочный ток;

          τ – длительность прохождения тока.

 

Очевидно, что необходимая для сварки энергия,  при исчезающее малом сопротивлении контакта и протекании больших токов – сотни и тысячи ампер, должна выделяться за короткое время порядка долей или единиц секунд. Напряжение на контактах сварочных машин составляет 1÷6В, сжимающее усилие  находится в пределах  0,15 ÷1,2 гПа.

Оборудование машин контактной сварки включает сварочные трансформаторы, источники импульсного тока, быстродействующие коммутаторы тока, реле времени, системы создания сварочного давления, синхронизирующие системы  и компьютеры.

 

7 Лекция. Индукционный нагрев проводников  и  высокочастотный нагрев диэлектриков

 

Содержание лекции: Физические основы  и применение индукционного   и диэлектрического нагрева.

Цели лекции: Изучить механизм нагрева проводников и диэлектриков в переменных магнитном и электрическом полях, технологическое применение индукционного нагрева металлов и высокочастотного нагрева диэлектриков.

 

Индукционный нагрев является результатом поглощения веществом энергии магнитного поля, преобразования её внутри вещества в энергию движущихся носителей зарядов, нагревающих вещество по закону Джоуля – Ленца. Индукционный нагрев обладает достоинствами – высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для расплавления металлов и получения плазмы. При индукционном нагреве отсутствует электрическая связь нагреваемого тела с источником электрической энергии. Для передачи энергии от источника питания в нагреваемое тело используется переменное магнитное поле, создаваемое индуктором в виде, например, катушки, состоящей из нескольких витков хорошего проводника, внутрь которой помещается нагреваемое тело. При подключении индуктора к источнику питания переменного тока протекающий по виткам индуктора ток производит магнитное поле, которое проникает в вещество и наводит в пересекаемом поле пространстве ЭДС, вызывающую возникновение электрического тока, нагревающего тело по закону Джоуля – Ленца. Индуктор по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора, в котором роль вторичной обмотки играет нагреваемое тело, создающее один короткозамкнутый виток. Переменный магнитный  поток  Φ, создаваемый индуктором и  пропорциональный числу витков индуктора W и величине протекающего по нему  тока I, создаёт в нагреваемом теле ЭДС

,

которая вызывает электрический ток, нагревающий тело по закону Джоуля – Ленца. Величины ЭДС и тока в нагреваемом теле измерять не представляется возможным, а из энергетического баланса известно, что выходящий из индуктора магнитный поток встречает на своём пути поверхность нагреваемого тела, в которой сразу же начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения магнитного потока в глубину тела в процесс проведения тока включаются более глубокие слои, а наведённый в теле ток создаёт встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным, глубина проникновения поля и соответственно глубина прогрева уменьшаются при повышении частоты тока индуктора. Мощность, выделяющаяся в нагреваемом теле, определяется через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре  на 1м его длины

kВт\ см²

         Здесь  Iw – ток и число витков индуктора;

           μ и ρ – магнитная проницаемость и удельное сопротивление нагреваемого материала;

           ƒ – частота тока;

 F – коэффициент согласования размера и формы индуктора с нагреваемым телом.

В слое нагреваемого металлического тела толщиной  Δ выделяется 86,4% энергии, развиваемой индуктором

 .

Отсюда следует, что глубина нагрева увеличивается с ростом удельного сопротивления и уменьшением магнитной проницаемости нагреваемого тела  и частоты тока. Индукционный нагрев особенно эффективен при нагреве до точки Кюри ферромагнитных материалов, имеющих высокое удельное сопротивление магнитную проницаемость. При достижении точки Кюри (температура 973 - 1043ºС) магнитная проницаемость резко снижается до 1, интенсивность нагрева снижается с одновременным увеличением глубины нагрева. Частота тока, применяемая для нагрева тел различных размеров, находится в пределах от 50 Гц  до  10000Гц. В большинстве технологических процессов индуктор изготавливается из медной трубки и охлаждается водой.

Индукционный нагрев используется для следующих целей:

- плавление металлов в канальных и тигельных печах;

- выращивание монокристаллов кремния, германия и оптически активных рабочих элементов лазеров;

- сквозной нагрев металлических заготовок перед механической обработкой при получении листового и фасонного проката, проволоки, гвоздей, болтов, шурупов, пружин амортизаторов автомобилей;

- упрочнение поверхностей деталей, работающих при больших механических нагрузках, - головки железнодорожных рельсов, колеса железнодорожных вагонов и цистерн, трущиеся части автомобилей и сельскохозяйственных машин;

- получение технологической плазмы в процессах производства новых материалов в плазмохимических реакторах.

Нагрев крупногабаритных изделий и больших объёмов металла, например, в печи ёмкостью 60т, производительностью 36 т/час, мощностью 17000кВт производится на промышленной частоте с использованием специальных трансформаторов. При нагреве малых объёмов металла для питания индукционных установок, работающих на повышенных и высоких частотах, применяются специализированные преобразователи частоты.

В предлагаемом курсе рассматриваются новые технологические процессы индукционно - резистивного нагрева при вакуумной сепарации губчатого титана и импульсный нагрев при очистке ковшей для жидкого магния, разработанные в АИЭС и освоенные на ряде титано - магниевых комбинатов.

Электрический нагрев диэлектриков, полупроводников и газов на высоких и сверхвысоких частотах.

Диэлектрики, находящиеся в твёрдом или жидком состоянии, а также газы любого химического состава нагреваются под воздействием электрического поля высокой или сверхвысокой частоты. Так называемый «высокочастотный» нагрев диэлектриков обладает рядом достоинств – высокая скорость, равномерность нагрева всего объёма вещества, находящегося в электрическом поле, высокая энергетическая эффективность, так как не разогреваются ни стенки рабочей камеры, ни электроды, образующие электрическое поле, ни формы, где находится  диэлектрик. Вся энергия поля  вводится в массу нагреваемого материала. Установки, в которых используются токи высокой частоты можно разделить на следующие типы:

- высокочастотные установки для   нагрева крупных изделий – сушка тюков шерсти и хлопка, лесоматериалов, обжиг крупных электроизоляторов, производство звукопоглощающих и теплоизоляционных материалов;

- высокочастотные установки  для сушки текстильного волокна, тканей, бумаги, фотоплёнки, нагрева химических и фармацевтических препаратов, производство клеев и изготовление крупных изделий из пластмасс;

- микроволновые печи - установки для размораживания продуктов, приготовления пищи, сушки чая, плодов, картофеля, обжига простых керамических изделий;

- высокочастотные нагреватели для производства изделий из полиэтилена – бутылок, одноразовых шприцов, коробок, упаковочных материалов, получения «стёганых» прошитых  изделий;

Физической основой электрического нагрева диэлектриков является  поляризация вещества, находящегося в электрическом поле между обкладками конденсатора, подключенного к  генератору высокочастотного тока. При этом существуют электронная, ионная и ориентационная поляризации, проходящие при разных частотах изменения направления электрического поля. Мощность, выделяющуюся в объёме диэлектрика, можно определить по формуле:

, Вт\м3.

         Здесь f – частота изменения поля;

          Ε – напряженность поля;

          ε – диэлектрическая  проницаемость вещества;

          tqδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

 

Отсюда следует, что высокочастотный нагрев является объёмным, интенсивность его определяется свойствами диэлектрика (εtqδ), частотой поля (f) и может регулироваться изменением напряженности электрического поля.

В установках для нагрева диэлектриков используются частоты в пределах от 5,28 до 2375 МГц.

 

8 Лекция. Установки лазерной, электронно – лучевой  и ионной технологии

 

Содержание лекции: Типы и применение лазеров, физические основы и применение электронно – ионной технологии.

Цели лекции: Изучить компоновку и использование лазерных установок, принцип действия и применение электронно-лучевых систем и ионных технологий.

 

За короткий для новой техники период времени эти технологии проникли  практически во все основные сферы деятельности человека.

Лазеры. Лазер – оптический квантовый генератор - является инструментом при выполнении технологических процессов и лазерного управления объектами. В лазере, в его активной зоне, находящейся в твёрдом, газообразном или жидком состоянии, происходит преобразование электрической энергии в монохроматическое когерентное электромагнитное излучение, характеризующееся высокой плотностью энергии и строгой направленностью. 

Используются следующие типы лазеров, отличающиеся видом активной среды.

Твердотельные лазеры

Рубиновый лазер. Рубин образуется при растворении небольших количеств Сr2O3 в сапфире Al2O3, обеспечивающих розовый цвет, диаметр стержня 1 см, длина – 2 ÷ 25 см. Он работает в основном в импульсном режиме: частота повторения импульсов от 2 имп/мин  до 1 Гц, пиковая мощность 106 ÷109 Вт.

Неодимовый лазер на иттриево-алюминиевом гранате (ИАГ) – наиболее широко используемый из всех твердотельных лазеров в непрерывном и импульсном режимах. Диаметр стержня 1см, длина стержня до 15см, длительность импульса 30 ÷200 пс, частота повторения 10 Гц, мощность импульса 109Вт, выходная энергия  5мДж/импульс, при частоте повторения импульсов 200Гц, длительность импульсов 0,1 ÷ 20 мс, выходная энергия 0,4 Дж\импульс.

Лазеры на неодимовом стекле. Активный элемент лазера может иметь различные формы и размеры, в том числе иметь вид стержней длиной до 2м, или пластин с поперечными размерами 10см; они находят применение при генерации пикосекундных импульсов, мощностью 1012 ÷1013 Вт, выходная энергия 0,01÷100 ÷ 1000 Дж/импульс.

Газовые лазеры.

Гелий - неоновый лазер. He – Ne  лазер обычно работает на смеси гелия и неона в соотношении 10:1, выходная мощность 1 ÷50 мВт.

Аргоновый и криптоновый ионный лазеры. Это самые мощные лазеры непрерывного действия в видимой и ближней ультрафиолетовой области, их к.п.д. не превышает 0,1%, так что 10 – ваттный лазер потребляет из сети порядка 10 кВт.

СО2 – лазер имеет наивысший к.п.д. преобразования электрической энергии в энергию излучения. Это его свойство вместе с простотой эксплуатации при высоких мощностях как в импульсном, так и в непрерывном режимах обусловило широкое применение СО2 – лазера для обработки материалов. Эти устройства имеют мощность от 0,1 до 1000 кВт.

Жидкостные перестраиваемые инфракрасные инжекционные лазеры. Они дают когерентное излучение с перестраиваемой длиной волны от 3 до 30 мкм. Активный материал лазеров получен из солей свинца, хотя имеются и другие соединения, излучающие в указанном диапазоне. Существует также большое количество полупроводниковых лазеров.

Пригодность лазеров для технологических процессов определяется уникальностью свойств излучения: монохроматичность, малая расходимость луча, когерентность и высокая яркость. Интенсивность лазерного луча регулируется в широких пределах способами оптической фокусировки и разфокусировки. Технология лазерной обработки материалов основана на поглощении ими монохроматического излучения, в результате чего происходит плавление, испарение или разложение материала. Основные достоинства лазерной обработки сводятся к следующим: возможность фокусировки луча в пятно малых размеров, отсутствие механического контакта между инструментом и обрабатываемой поверхностью, возможность подбора длины волны излучения с оптимальными характеристиками для технологического процесса, небольшая зона избыточного прогрева, совместимость с компьютерным управлением.

Применение лазерного излучения: перфорация сигаретной бумаги, изготовление ядерных топливных стержней, контроль коррозии в реакторах, сверление керамических подложек для электронных плат, получение отверстий в тонких металлических слоях для записи изображений и хранения данных. Сварка сталей больших толщин, сварка пластин в свинцовых и щелочных аккумуляторах. Резка тонких листов металлов и неметаллов, газетной бумаги, картона, стекла, раскрой кожи, резины, тканей при изготовлении обуви и швейных изделий. Изготовление проводящих элементов на пленках и изготовление пленочных конденсаторов, запись изображений,  лазерная маркировка изделий. Поверхностное упрочнение деталей машин, выращивание кристаллов полупроводников, вытягивание и сращивание оптических волокон, изготовление полупроводниковых устройств и соединений в интегральных схемах. Лазерная хирургия глаза.

Большое применение находят лазеры в химической технологии.

Особое значение имеет лазер для контроля состояния и анализа атмосферы и окружающей среды, измерения скорости ветра на больших высотах.

В состав лазерной установки входит  источник питания, импульсные лампы оптической накачки, системы продувки газами, фокусировки и вывода луча, манипуляторы направления луча, компьютеры.

Электронно – лучевая  обработка.

Физической основой электронно – лучевого воздействия является торможение ускоренного потока электронов в обрабатываемом материале. Пробег электронов внутри материала при энергии от 10 до 100 кэВ описывается зависимостью

         где δ - пробег электрона, см;

          ρ - плотность материала, г\см3;

          Uуск -  ускоряющее  напряжение электронно – лучевой  пушки, В.

 

Для ускоряющих напряжений от 25 до 300 кВ величина пробега электрона в металлах может быть определена по формуле

, см.

Важнейшей характеристикой процесса электронно – лучевой обработки является удельная мощность  в зоне воздействия луча на обрабатываемый материал

, Вт/см²

         где q1 – тепловая мощность луча;

          d – диаметр пятна на поверхности нагрева.

Достоинством процесса является возможность достижения высоких значений плотности мощности до 109Вт/см2.

Таким образом, преобразование кинетической энергии электронов в тепловую происходит в самом материале на некотором расстоянии δ от его поверхности. Тепловая мощность электронного луча q1 прямо пропорциональна току луча Iл и ускоряющему напряжению Uуск

,Вт

         где ηи – к.п.д. преобразования энергии.

Регулирование плотности мощности производится изменением силы тока луча и ускоряющего напряжения, обеспечиваемых источником питания, а также изменением поперечного сечения пятна торможения потока электронов, обеспечиваемым системами электромагнитной фокусировки.

Генератором электронного луча служит высоковольтная электронная пушка, похожая по структуре на кинескоп телевизора. Внутри электронных пушек поддерживается вакуум на уровне 10-3÷10-4Па, в технологической камере, где осуществляется плавка, сварка металлов или выращивание полупроводниковых кристаллов вакуум поддерживается на уровне                     10-2÷10-3Па.

Основными общими характеристиками электронно – лучевых установок являются тип и мощность электронной пушки (0,2÷4000кВт), сила тока луча(0,01÷30А), ускоряющее напряжение (10÷300кВ), минимальный и максимальный размер пятна электронного луча на объекте, степень стабилизации напряжения и тока ( 0,01%) в узлах установки, вакуум в электронной пушке и рабочей камере, расход жидкости на охлаждение перегревающихся  элементов установки, тип и мощность управляющего компьютера. Эксплуатация и обслуживание электронно – лучевых установок по рафинированию золота, выращиванию кристаллов рубина, сапфира, фианита, кремния и других дорогих изделий осуществляется высоко квалифицированным персоналом.

Ионные технологии. При удалении из нейтральных атомов и молекул  электронов и при  присоединении к атомам и молекулам электронов образуются заряженные частицы, называющиеся ионами. Ионы могут быть положительными и отрицательными, в зависимости от того  удален или присоединен электрон, одно – и многозарядными в зависимости от количества удаленных или присоединенных электронов. Электроны могут быть атомарными, молекулярными и кластерными. Кластерные ионы представляют собой конгломерат из нескольких частиц, несущий общий заряд. Ионы можно ускорить электрическим полем, изменить траекторию их движения магнитным полем, можно измерить величину создаваемого ими тока. При этом ионы сохраняют вещественную индивидуальность атомов и молекул, из которых они образованы.

Ускоренный электрическим полем поток ионов до энергии в несколько   десятков килоэлектрон - вольт, направленный на твердое тело, способен внедряться в поверхность, вызывать эмиссию атомов, ионов, электронов и фотонов, разогревать тела и изменять состав и свойства поверхностных слоев.

Эмиссию вещества в вакуум принято называть катодным или ионным распылением, а механизм разрушения твердых тел принято считать результатом обмена импульсами бомбардирующего иона и  атомами решетки тела. Для того чтобы атом оторвался от поверхности, ему должна быть сообщена энергия, превышающая энергию связи атома с поверхностью твердого тела, называемая энергией сублимации. Энергия сублимации теоретически и экспериментально определена для большинства веществ, ее величина в электрон - вольтах для ряда металлов имеет следующие значения:  

                                 Al – 3,26                 Ge – 3,77

                                 Si – 3,96                  Nb – 7,5 

                                 Ti – 4,34                  W – 8,76  

                                 Cr – 3,68                  Au – 3,92.

                                 Cu – 3,56       

Распыление материала количественно характеризуется коэффициентом распыления S, который определяется количеством атомов, выбитых одним ионом

         где Na – число выбитых атомов;

          No – число ионов, бомбардирующих материал.

Коэффициент распыления увеличивается с ростом энергии ионов, например, при изменении энергии ионов в диапазоне от 0,1 до 5,0 кэВ, коэффициент распыления изменяется  в следующих  пределах:

Al – 0,2–1,75; Si – 0,21–1,45; Ti – 0,26–1,83; Cr – 0,3–2,23; Cu –0,35–2,65; Ge – 0,33- 2,6; As - 0,95-7,65; Nb – 0,18-1,5; W – 0,2-2,0; Au – 0,45-4,34.

Скорость травления поверхности также сильно зависит от энергии ионов, так как при этом меняется не только коэффициент распыления, но и плотность ионного тока.

Коэффициент распыления мишени ионами одного и того же элемента зависит от атомного номера мишени.

Ионное распыление производят при сравнительно высоком давлении рабочего газа (0,1÷100Па), когда мишень находится при  низкой температуре. Если же в рабочий газ добавляются реакционно способные газы, то на подложках синтезируются химические соединения, обладающие новыми важными для микроэлектроники электрофизическими свойствами.

Существует несколько систем ионного распыления, однако наибольшее распространение получила магнетронная система, позволяющая выполнять следующие процессы:

1) металлизация поверхности чистым алюминием и алюминием, легированным кремнием и медью, многоуровневая и многослойная металлизация тугоплавкими металлами.

2) металлизация двухсторонних печатных плат, осаждение пленок меди и других металлов на непрерывно движущуюся майларовую или полиамидную пленку, изготовление контактных площадок.

3) изготовление высококачественных фотошаблонов нанесением хрома или оксида железа на стеклянные или  низко термостойкие  подложки.

4) изготовление тонкопленочных резисторов на основе хрома, никеля, тантала, высокорезистивных многокомпонентных сплавов и пленок на керамических подложках.

5) получение сверхпроводящих пленок ниобия  и сплавов сложного состава для криотронных запоминающих устройств.

6) получение магнитных пленок при использовании в качестве мишени тонкой ленты из NiFe.

7) изготовление высокостабильных контактов на кремниевых пластинах.

8) нанесение диэлектрических пассивирующих пленок  на микросхемы.

9) получение оптических покрытий.

При изготовлении изделий микроэлектроники необходимо в тонких пленках или в поверхностном слое полупроводниковой подложки сформировать топологический рисунок элементов схемы. Обычно это выполняется с помощью электронной, ионной или рентгеновской литографии. Для получения субмикронных элементов используют ионно-плазменное травление. Для контроля качества технологических ионных процессов и микроэлектронной продукции используются методы ионной масс - спектрографии, ионные микрозонды, ионные анализаторы.

Для модификации электрофизических, химических, оптических, механических и других свойств поверхностных слоев материалов применяется ионное легирование, ионное внедрение и иная имплантация. Они основаны на контролируемом внедрении в материал (полупроводник) ускоренных в электрическом поле атомов и молекул. Достоинствами способа ионного имплантирования является возможность введения любого иона в любой материал, соблюдение точности помещения ионов в заданное место, высокая чистота вводимых элементов, совместимость с компьютерным управлением.

Модифицирование поверхностных слоев материалов ионами осуществляют на технологических ускорителях – ионно – лучевых установках легирования, содержащих систему напуска рабочего вещества, источник  ионов, систему формирования ионного луча, ионопровод, сепаратор ионов, систему доускорения ионов, вакуумную камеру с мишенями, систему откачки газов, блок питания источника ионов, блок вытягивающего и фокусирующего напряжения, блок питания сепаратора ионов, блок контроля дозы облучения, компьютер. Этот перечень показывает, что процесс легирования и установка для его реализации являются наукоемкими, требующими высокой квалификации производственного персонала. Среди источников ионов наибольшее распространение получили плазменные и дуговые. Системы извлечения ионов, формирования и ускорения ионных пучков разгоняют ионы до энергий  60÷600 и более кэВ. Они содержат электростатические линзы, фокусирующие пучки до требуемых поперечных размеров. Сепараторы ионов выделяют из общего потока ионов ионы определенного сорта, дифференцируя их по отношениям их масс. Контроль дозы облучения мишени ионами обеспечивается сканированием пучка по ее поверхности, либо при статическом отклонении пучка в одном направлении и механическом перемещении мишени в другом, перпендикулярном первому.

Вакуумные системы обеспечивают вакуум на уровне 10-4 ÷10-5 Па.

Развитие микроэлектроники привело к созданию методов формирования элементов интегральных схем с размерами меньше одного микрометра, созданию «субмикронной технологии» и ионной литографии. В многослойных пленочных структурах толщина пленки меньше длины свободного пробега электрона. Таких сверхтонких слоев толщиной от единиц до десятков нанометров с периодически изменяющимся составом в одном электронном устройстве может быть значительное количество. Между слоями требуется создать четкую границу с резким изменением свойств от слоя к слою. Такие сложные структуры, называемые сверхструктурами, получают методом  молекулярно – лучевой эпитаксии.

Ионно-плазменное легирование применяется в энергетике для защиты  поверхностей энергетического оборудования, подвергающегося  агрессивному химическому и абразивному  воздействию.

 

                                   


Заключение

 

Интенсивное развитие новой техники обычно стимулируется стремлением создания экономического или военного превосходства одних государств над другими, а также необходимостью создания систем защиты от средств нападения.

Особенно это касается электротехнологии.

Распространённое военное применение лазера - целеуказание, оптические прицелы и средства наведения мощных боеприпасов.

В мире активно развивается так называемое «нелетальное» оружие, не предусматривающее смертельного исхода поражаемого живого объекта. К ним относятся слепящее лазерное излучение, узконаправленное  микроволновое излучение частотой около 95 гигагерц. Оно не причиняет серьёзных травм, но вызывает ощущение ожога. С помощью микроволновой пушки можно управлять поведением людей, когда применение обычного оружия нежелательно.

«Тазеры» представляют собой электрошоковое устройство дистанционного применения. Оно предназначено для мгновенного обездвиживания человека путём пропускания через его тело высоковольтного разряда. «Тазер» стреляет двумя электродами, несущими на себе разноимённые электрические заряды, которые, проникая в тело, вызывают в нём мгновенный импульс тока.

«Электромагнитная бомба» - электромагнитный импульс   микроволнового излучения большой мощности, индуцирующий в электрических проводниках, в том  числе внутри электронных приборов большие токи, разрушающие электрические цепи, подавляющие радиоэлектронную аппаратуру.

Это далеко не полный перечень боевой  электротехнологии.

С каждым годом расширяется применение электротехнологических процессов в биологии и медицине.  

 

Список литературы 

1. Болотов А.В. Шепель Г.А.  Электротехнологические  установки. - Учебник для ВУЗов, по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий», Москва, «Высшая школа»1988,336 с., ил. ISBN 5- 06 – 001270

2. Болотов А.В. Шепель Г.А.   Электротехнологические установки. -  Учебное пособие для вузов, Алма – Ата, Мектеп, 1983,272с., ил.

3. Электротехнологические промышленные установки. / Под редакцией А.Д.Свенчанского. - Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий,  городов и сельского хозяйства», М, Энергоиздат,1982, 400с., ил.

4. Прикладная электрохимия. / Под редакцией А.П.Томилова. - Учебник для студентов вузов, М. «Химия», 1984, 520с., ил.

5. Ширшов И. Г. Котиков В.Н. Плазменная резка. – Л.: «Машиностроение»,1987,192с, ил.

6. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки  электронно – ионной технологии. - Учеб. пособие для вузов.- М.: «Высшая школа»,1988,255с, ил. ISBN 5-06-001480 – 0.