Покоренная плазма

Было время, когда электродуговые печи называли чудом двадцатого века. Но прошли годы, и новые чудеса появились на земле, а электродуговая печь заняла свое скромное место в ряду помощниц человека, добросовестно выполняющих порученную работу. Но и сегодня вызывает восхищение эта «вагранка в кармане», для пуска которой нужно только включить один рубильник.

На рисунке показано устройство электродуговой печи. По сути дела такая печь — это большой бак из огнеупорного материала. В нижней части — металл, который нужно расплавить. Над ним бушует жаркое пламя дуги. Дуга возникает между двумя толстыми угольными электродами, торчащими с двух сторон из стенок печи. Целую реку электричества забирает печь из сети, но работа, которую она выполняет, окупается с лихвой.

Каждый из вас знает, что такое бронза, — это материал, «освоенный» людьми раньше, чем железо. Сплав меди и олова, имеющий очень широкое применение в технике. Сейчас его делают в электродуговых печах.

А как возвращают жизнь отслужившему свой век металлу с прозаичным названием металлолом? Его переплавляют в мартеновских и электродуговых печах.

Плазма дуги с успехом применяется и для улучшения свойств уже готового металла. Предположим, получили в вагранке готовый чугун. Его перед пуском в дело подогревают в электропечи и улучшают его механические свойства. Такой чугун, превратившись в шестерни, цепи, краны и другие детали, становится более прочным.

Есть металл, производство которого теснейшими узами связано с электрической дугой. Это алюминий — «крылатый» металл, ставший за последние полвека одним из наиболее распространенных.

Заглянем внутрь плавильной печи. Дно ее выстлано углем. Сделано это не случайно. Уголь — хороший проводник тока, и в печи для выплавки алюминия дно выполняет роль отрицательного электрода. Над днищем висят толстые стержни, тоже угольные. Они соединены с положительным полюсом электрического генератора.

Вначале в печь загружают криолит — красноватый минерал со стеклянным блеском. В его состав входят натрий, алюминий и фтор. Когда между днищем печи и угольными стержнями вспыхнет дуга, криолит плавится. Теперь в печь засыпают глинозем — сырье, из которого получают алюминий. В природе его очень много.

Глинозем, попав в расплавленный криолит, растворяется в нем. Начинается новый этап производства. Угольные стержни впускают в расплавленную массу на большую глубину. Дуга гаснет. Она сделала свое дело. В печи теперь идет электролиз — процесс, во время которого положительные ионы алюминия движутся к катоду — дну ванны и отлагаются там. Ионы кислорода, несущие отрицательный заряд, собираются на угольных электродах и окисляют уголь, постепенно сжигают его.

Когда в печи скопится много алюминия, открывают кран, и сверкающий белизной металл выливается наружу.

Просто, не правда ли? Однако эта «простота» — результат упорной работы большого числа ученых и инженеров, в том числе и русских.

Может возникнуть вопрос, почему «плазменные» печи получили такое широкое применение в металлургии? В основном — это возможность получать металлы и сплавы высокого качества. В плазме дуги нет посторонних газообразных примесей, которые есть в любом другом пламени и которые «загрязняют» металл, соединяются с ним.

Но главным плюсом является высокая температура, которую может создавать дуга, а это очень важно для получения не только алюминия, но и для производства особых сортов стали.

Вы сели в автобус. Мощный мотор резво мчит машину-махину по улицам и проспектам. Если вы знакомы с техникой, то можете представить себе, какие большие усилия выдерживает коленчатый вал мотора, как трудно приходится поршневым пальцам, связывающим воедино поршни и шатуны. Каждый метр пути сопровождается то сильными, то слабыми толчками, и все они отзываются на каком-либо шариковом или роликовом подшипнике, которых в машине имеется десятки. Но все детали держатся стойко, им не страшны большие нагрузки.

А ведь такими они стали не без помощи плазмы. Коленчатые валы, поршневые пальцы, шарики и ролики подшипников и сотни других деталей делаются из специальной стали — легированной. От обычной она отличается тем, что имеет те или иные добавки: хром, никель, вольфрам, ванадий. Коленчатые валы, например, делаются из хромоникелевой стали. Резцы из быстрорежущей стали имеют в своем составе ванадий, вольфрам, хром.

Металлурги, как и фармацевты при изготовлении лекарств, должны точно выдержать состав легированной стали в зависимости от того, что из нее будут делать. Добиться этого удается только в электродуговых печах, где можно получить нужную температуру, не боясь при этом, что раскаленная плазма испортит сплав.

Как видите, совершенство современных машин находится в прямой зависимости от плазмы.

Итак, высокая температура внутри электродуговой печи — это большой плюс, которым немедленно воспользовались металлурги. Какова же температура электрической дуги?

Пять тысяч градусов — такую температуру отметит термометр, если вы поместите его в электродуговую печь. Конечно, термометр этот должен быть особенным, иначе он при такой жаре вмиг расплавится.

Но людей техники не смущают четырехзначные числа. Они хотят состязаться с Солнцем и превзойти его. Ведь температура в электродуговой печи на какие-то пятьсот — семьсот градусов меньше, чем на поверхности Солнца.

Но прежде чем рассказывать о том, как удается достичь такой температуры, вспомним, как искровой разряд мы превращали в дуговой. Для этого мы увеличивали электрические силы в пространстве между электродами, прибавляли напряжение, приложенное к ним. При этом электроны ускоряли свой бег к аноду, сильнее ионизировали газ. Из недр анода вырывались тяжелые положительные ионы. Число заряженных частиц сильно возрастало, и отдельные искры сливались в яркий жгут, образуя дугу.

Температура обыкновенной электрической дуги в воздухе — три с половиной — четыре тысячи градусов. Она так высока потому, что в плазме часты соударения тяжелых заряженных частиц — ионов — между собой и с нейтральными молекулами газа.

Получив дуговой разряд, попробуем поднять температуру плазмы. Для этого увеличим электрические силы, прибавим напряжение.

Температура плазмы дуги немного повысится. Ее можно довести до пяти тысяч градусов. И только. Дальнейшая прибавка напряжения не даст желаемого результата: ток растет, а температура увеличиваться не хочет.

В чем дело? На что расходуются электрические силы? Не пропадает же энергия бесследно!

Верно, не пропадает. Она тратится на увеличение в разрядном промежутке количества плазмы и излучается в виде квантов света. Дуга становится толще и ярче. Но не более горячей!

Ученые долго ломали голову: как быть? И наконец нашли выход, решили и эту нелегкую задачу.

Методов повышения температуры плазмы предложено немало.

Сейчас познакомимся с одной весьма оригинальной установкой, которая нагревает воздух до десяти — пятнадцати тысяч градусов.

Разрез установки показан на рисунке (стр. 114).

Когда смотришь на эту «машину» в действии, так и хочется назвать ее — плазменный брандспойт.

Многим, конечно, приходилось видеть, как бьет струя воды из брандспойта — необходимой принадлежности любой пожарной команды.

Установка, о которой я говорю, тоже выбрасывает струю, но не воды, а плазмы. Эта струя так горяча, что сметает все на своем пути: ни один металл или сплав не может устоять перед ней.

Наш плазменный «брандспойт» — это обыкновенная разрядная камера. В ней, как и полагается, есть два электрода. Один из них — знакомый нам угольный стержень. Он соединен с плюсом источника тока. Второй электрод — отрицательный — угольная пластинка с отверстием — «окошком» — в центре. Через это «окошко» и вырывается наружу огненный язык плазмы.