Электротехнологические установки

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

А. В. Суворин 

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  УСТАНОВКИ 

Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротех
ники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140610 – «Электрооборудование  
и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» направления 
подготовки 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 25.01.2010 

Красноярск 

СФУ 
2011 

УДК 621.3(07) 
ББК  31.2я73 

С891 

Рецензенты: 

Б. И. Кудрин, д-р техн. наук, проф., ген. директор ООО «Технетика» 

(г. Москва); 

Я. А. Кунгс, канд. техн. наук, проф., зав. каф. «Системоэнергетика» 

ФГОУ  ВПО  «Красноярский государственный аграрный университет» 

Суворин, А. В. 

С891 
 
Электротехнологические установки : учеб. пособие / А. В. Су
ворин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 376 с. 

ISBN 978-5-7638-2226-7 

Рассмотрено устройство и принцип действия электротехнических устано
вок, используемых как на промышленных предприятиях, так и в сельском хозяйстве. Особое внимание уделено применению электротехнологического оборудования, обеспечивающего надежное электроснабжение и управление электротехнологическими процессами. 

Предназначено для студентов направления подготовки специалистов 

140610.65 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» укрупненной группы 140000 «Энергетика». 

УДК 621.3(07) 
ББК  31.2я73 

ISBN 978-5-7638-2226-7                                   © Сибирский федеральный университет, 2011 

 
 
Предисловие 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Намеченное Правительством Российской Федерации интенсивное 

развитие производства страны на 2010−2020 гг. предполагает перевод 
всех отраслей на прогрессивные технологии, при этом особое внимание 
уделяется внедрению нанотехнологий. Запланированное повышение 
производительности труда в 3−4 раза за этот период предусматривает 
разработку новых технологических процессов и установок с высокой 
степенью электрификации и автоматизации. Планомерное совершенствование производства электроэнергетических мощностей соответствует 
современным требованиям сокращения вредных выбросов в окружающую среду и резкого снижения доли углеводородных материалов, используемых в нагревательных процессах.  

Данная стратегия определяет последовательное интенсифициро
вание различных электротехнологий, которые способствуют дальнейшему развитию науки о технологических возможностях электричества. 
Результатом практического использования этой науки является создание большого разнообразия электротехнологических установок, применяемых в машиностроении, металлургии, химической отрасли,  
в различных отраслях сельского хозяйства. Кроме этого данная наука 
позволит обеспечить эффективное применение электроэнергии в преобразовании и получении веществ с новыми физико-механическими 
свойствами.  

Амбициозные планы России по интеграции в мировой технический 

прогресс выдвинули такие приоритетные направления, как использование электроэнергии для получения и применения низкотемпературной 
плазмы, для создания электронно-ионной, импульсной и лазерной техники. Успешное решение намеченных задач позволит создать современное 
поколение высокопроизводительных экологически чистых установок  
и технологических производств. В настоящее время сельскохозяйственные производства ориентируют свои усилия на применение современных 
технологий, широко использующих электрическую энергию. 

Электротехнологические методы воздействия на обрабатываемые 

материалы характеризуются высокой эффективностью и универсальностью. Их можно с успехом применять для воздействия на растения, 
животных и среду их обитания. Так, например, при помощи переменных электромагнитных полей различной частоты можно избирательно 

Предисловие 

4 

нагревать магнитные и немагнитные материалы, закалять поверхности 
стальных деталей. Используя электростатическое поле, можно воздействовать на семена растений, улучшая их всхожесть и урожайность. 

Специфические особенности электрооборудования электротехноло
гических установок органически связаны с технологическим процессом. 
Такое оборудование может создаваться разработчиками и эксплуатироваться потребителями только при глубоком знании и понимании теми  
и другими физических основ электротехнологии. Эти особенности электротехнологических установок отражены в данном учебном пособии. 

Настоящее учебное пособие соответствует требованиям учебной 

программы дисциплины «Электротехнологические установки» и предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 140610 – 
«Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций  
и учреждений» направления подготовки 140600 – «Электротехника, 
электромеханика и электротехнологии». Данное учебное пособие также 
может быть использовано в практической работе инженерно-техническим и обслуживающим персоналом, связанным с эксплуатацией различных электротехнологических установок и процессов производства. 
Кроме этого оно может быть полезно научным работникам и аспирантам, специализирующимся в этой области, а также слушателям курсов 
повышения квалификации специалистов данного профиля. 

Учебное пособие состоит из семи частей, каждая часть включает  

несколько глав. В конце каждой главы даны примеры решения задач и задачи для самостоятельной работы, а также вопросы для самопроверки. 

В первой части пособия изложены теоретические основы электро
термических установок, способы получения тепла и использования его  
в печах сопротивления, при контактной сварке и в установках индукционного и диэлектрического нагрева. Во второй части пособия рассмотрены вопросы, связанные с получением и использованием дугового 
электрического нагрева в электротехнологических установках: в дуговых электрических печах, плазменных установках, при дуговой сварке. 
Третья часть посвящена технологическим установкам, использующим 
электронно-лучевой нагрев и лазерные технологии. Технологии электрохимической и электрофизической обработки рассмотрены в четвертой 
части пособия. К ним относятся электроэрозионная обработка металлических изделий, электрохимико-механические процессы электротермии. 
Пятая часть пособия знакомит с электромеханическими технологиями: 
магнитно-импульсной обработкой металлов, электрогидравлической обработкой материалов, получением и использованием ультразвука. В шес

 
 
Предисловие 

5 

той части рассмотрены теоретические основы и особенности электронноионных процессов, а также устройство, применение и работа электростатических установок. Седьмая часть посвящена использованию электротехнологии в сельском хозяйстве, а именно в животноводческих и птицеводческих комплексах, а также в сооружениях защищенного грунта.  

Автор выражает искреннюю признательность коллективу кафедры 

«Электроснабжение и электрический транспорт» (ЭСиЭТ) Политехнического института Сибирского федерального университета и заведующему 
кафедрой ЭСиЭТ доктору технических наук, профессору В. И. Пантелееву, кандидату технических наук, доценту кафедры ЭСиЭТ Г. П. Образцову и инженеру кафедры ЭСиЭТ В. П. Мисюревой за полезные замечания и предложения, сделанные ими в процессе работы над рукописью 
данного пособия; а также благодарность рецензентам: кандидату технических наук, профессору Я. А. Кунгсу, кандидату технических наук, 
профессору М. В. Лукьяненко − за ценные советы и замечания при рецензировании учебного пособия. 

Введение 

6 

ВВЕДЕНИЕ 

Электротехнология − это способ обработки материала, при кото
ром электрическая энергия является непосредственным инструментом 
выполнения определенной операции. Электрическая энергия в этом 
случае может выступать в разных видах: в виде теплового воздействия, 
дугового или тлеющего разряда, механического действия электрического поля, искрового электрического разряда, плазмы, концентрированных пучков света, токов высокой частоты, ультразвука и т. д. 

Электротехнологические установки имеют довольно сложное ос
новное и вспомогательное оборудование. Так, например, производство, 
использующее плазменный процесс, включает в себя следующее основное оборудование: плазмотрон, плазменный реактор, электронную пушку и еще ряд устройств. В составе же вспомогательного оборудования 
имеются система обеспечения водой, газом, система создания и поддержания вакуума и др. 

Отдельные виды электротехнологической обработки применяются 

самостоятельно, например дуговая электрическая сварка, обработка токами высокой частоты, электровзрывная и магнитно-импульсная обработка 
и др. А некоторые виды воздействия, например ультразвуковая обработка, 
энергия ударных волн и др., осуществляются через промежуточное технологическое звено.  

Сложность используемого оборудования обуславливает и слож
ность его разработки, монтажа и наладки, выполнить которые без знания технологического процесса практически невозможно. 

В настоящее время электротехнологические установки особенно 

широко внедряются в практическую деятельность человека и его среду 
обитания. Следует отметить, что это обусловлено не только объективной потребностью в них, но и другим не менее важным фактором − 
стремительным сокращением запасов углеводородного сырья. Более того, реальная угроза глобального изменения климата на Земле поставила 
перед человечеством новые проблемы, связанные с необходимостью 
принятия кардинальных мер по охране окружающей среды: создание 
безотходных технологий и разработку новых возобновляемых источников электрической энергии. 

Развитие электротехнологий может быть обеспечено только непре
рывным совершенствованием энергетики страны, поэтому актуальной 

 
 
Введение 

7 

задачей государства является активное строительство новых атомных  
и тепловых электростанций и сооружение мощных линий электропередач с учетом последних достижений в области электроэнергетики.  

Не случайно электротехнологии иногда называют «новыми техно
логиями». Они характеризуются целым рядом существенных преимуществ перед традиционными (механическими) методами обработки материалов. К таким преимуществам следует отнести: 

• возможность обработки материалов практически с любыми 

свойствами без существенного механического воздействия (электроэрозионная, электрохимическая, электролучевая обработка); 

• возможность обработки сверхтвердых материалов при отсутст
вии специальных инструментов. В этих случаях используются электроискровая, электроэрозионная технологии; 

• существенную экономию материала за счет оптимального рас
кроя и меньшей толщины швов заготовок, что важно при обработке дорогостоящих материалов, таких как рубин, кварц, алмаз, полупроводниковые кристаллы, золото, платина; 

• высокую точность изготовления деталей (в пределах единиц 

микрометров), не всегда достижимую другими способами обработки; 

• высокую производительность и экономическую эффективность, 

например при обработке твердых и хрупких материалов, по сравнению 
с механической обработкой; 

• широкие возможности механизации и автоматизации процессов 

обработки материалов, что позволяет существенно сократить численность 
работников, повысить производительность и улучшить условия труда. 

Совершенствование электротехнологических процессов позволило 

создать материалы, обладающие новыми свойствами: более высокой 
прочностью, термостойкостью, химической нейтральностью, более 
прочными изоляционными свойствами и др. Более того, благодаря электротехнологии были получены сверхчистые проводниковые и полупроводниковые материалы. А использование новых технологий позволило 
получать изделия и материалы из отходов производств, работающих по 
старым схемам. 

Настоящим прорывом стало внедрение электротехнологий в ра
диотехнику и микроэлектронику. Так, при работе по старым технологиям радиотехнические устройства, ЭВМ, управляющие комплексы содержали сотни тысяч, а порой и миллионы элементов, объединенных  
в системы сотнями тысяч соединений, занимали огромные площади  
и потребляли сотни киловатт электроэнергии. Последние достижения  

Введение 

8 

в области плазменных технологий позволили получать на основе современных материалов принципиально новые устройства микроэлектроники − микросхемы, на которых все составляющие элементы размещены  
в одном микроблоке без единого внешнего соединения. Сегодня для нас 
уже стали привычными компьютеры и микрокалькуляторы, многофункциональные сотовые телефоны, микротелевизоры, ЭВМ, обладающие 
фантастическими быстродействием и памятью. 

Внедрение контактной сварки в производство позволило в сотни 

раз повысить уровень механизации сборочных работ в машиностроительной индустрии, обеспечивая при этом высокую скорость изготовления изделий и материалов и их безупречное качество.  

Следует отметить, что электротехнологические процессы, особен
но их новые разновидности, имеют короткий путь от исследовательских 
лабораторий до производственных цехов. К таким процессам можно отнести высокочастотную закалку металлических изделий, высокочастотную сушку сыпучих неэлектропроводных материалов, индукционный 
нагрев и плавку металлов, нагрев и сушку с использованием инфракрасных излучателей и т. д. 

Вышеназванные технологии не исчерпывают всего многообразия 

возможностей электротехнологических методов обработки материалов. 
С учетом ограниченного объема учебного пособия представляется целесообразным дать в нем общую классификацию электрофизических  
и электрохимических методов обработки изделий и материалов. 

В электротехнологиях используются тепловые, механические  

и химические воздействия электрического тока: 

• тепловое действие электрического тока: нагрев сопротивлени
ем, индукционный и диэлектрический нагрев, нагрев в электролитах; 
электроискровая, электроимпульсная, светолучевая, электронно-лучевая, ионная и плазменная обработка; 

• механическое действие электрического тока: ультразвуковая, 

магнитно-импульсная и электровзрывная обработка; 

• химическое действие электрического тока: гальваника, анодно
механическая обработка, электрохимическая размерная обработка, 
электрохимическое полирование. 

Итак, спектр применения электротехнологических методов воз
действия на материалы и изделия необычайно широк. Поэтому интерес 
к электротехнологическим установкам постоянно растет. Для того чтобы совершенствовать и автоматизировать электротехнологические процессы, необходимо знать не только физические законы, на которых они 

 
 
Введение 

9 

основаны, но и их характеристики. Так, к основным характеристикам 
электрохимических процессов следует отнести: уровень напряжения, 
способ его подвода (прямой или косвенный), род, силу, частоту и плотность тока. 

В электротехнологиях используется как переменный (чаще всего), 

так и постоянный электрический ток, а в отдельных случаях – тот и другой (например, в гальванике). Сила тока может варьировать от миллиампера до килоампера, частота тока − от 50 Гц до десятков мегагерц. 

Таким образом, зная основные характеристики электротехнологи
ческих процессов, их можно с успехом как оптимизировать, так и автоматизировать, идя в ногу с научно-техническим прогрессом. 

Часть I.  Электротермия 

10 

Часть I.  ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ 

Глава 1.  ОСНОВЫ  ТЕОРИИ  ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ 

УСТАНОВОК 

1.1. Способы преобразования электрической энергии  
в тепловую 

Электрическая энергия, применяемая для нагрева, имеет целый ряд 

преимуществ перед другими способами нагрева: существенное снижение 
загрязнения окружающей среды; достижение значений температур значительно более высоких, чем при сжигании каких-либо видов топлива; строгий контроль и точное регулирование длительности выделения тепловой 
энергии; возможность управления тепловыми потоками энергии; возможность нагрева материалов и изделий в различных газовых средах и в вакууме; выделение тепловой энергии в самом нагреваемом материале [3, 34]. 

В электротермии, как правило, рассматривают следующие спосо
бы преобразования электрической энергии в тепловую: 

• нагрев сопротивлением. При протекании в проводящем мате
риале электрического тока происходит выделение теплоты. Такой вид 
нагрева основан на законе Джоуля − Ленца и осуществляется в термических установках прямого и косвенного действия. В термических установках прямого действия теплота выделяется в нагреваемом материале 
или изделии, включаемом в силовую цепь. В установках косвенного 
действия тепловая энергия выделяется в нагревательных элементах, 
размещенных в камере, и затем по законам теплопередачи поступает  
в нагреваемое изделие или материал; 

• индукционный нагрев заключается в преобразовании энергии 

электромагнитного поля в тепловую за счет наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля − Ленца. 
Индукционный нагрев может осуществляться как прямым, так и косвенным методами; 

• диэлектрический нагрев: материалы и полупроводники, поме
щенные в высокочастотное электрическое поле, нагреваются за счет 
сквозных токов проводимости и смещения при поляризации;