Зарождение электротехнологии

Исследования тепловых и химических свойств электрического тока, проводившиеся физиками Э. Карлейлем, В. Никольсоном, В. В. Петровым, Г. Дэви, М. Фарадеем, Э. X. Ленцем, Д. П. Джоулем, Б. С. Якоби, заложили научные основы практической электрохимии и электротермии.

Промышленная электрохимия началась с освоения гальванотехнических процессов рафинирования меди и добычи электролитическим путем кислорода и водорода. Первоначально источниками электричества служили гальванические батареи. Отсутствие экономичных и достаточно мощных генераторов тормозило внедрение в практику электрохимических и электротермических процессов.

Лишь появление в начале 70-х годов динамомашины дало заметный толчок развитию электрохимии и электрометаллургии. Еще больший размах эти отрасли получили с введением централизованного электроснабжения.

К концу ХIХ в. электролитическим путем производили в широких масштабах рафинированную медь, бертолетову соль, хлор, некоторые щелочи, озон (для стерилизации и очистки воды). Развивалась и совершенствовалась гальванотехника.

Использование электрической энергии привело к появлению и развитию новых способов производства искусственных удобрений для сельского хозяйства. В это же время возник ряд электрометаллургических и электрохимических производств, основанных на применении электрических печей. Был изобретен и стал применяться на практике новый способ обработки металлов — электросварка.

Одна из первых попыток (1867 г.) сварить два куска металла в месте их электрического контакта принадлежала американскому ученому и инженеру И. Томсону. На практике этот способ стали использовать лишь в 90-е годы после капитальных усовершенствований. К этому времени во многих странах уже широко применяли «электрогефест», разработанный русским изобретателем Н. Н. Бенардосом. В 1882 г. он осуществил электрическую сварку металлов, которые сплавлял электрической дугой с дополнительно вводимым присадочным электродом. Он же предложил еще несколько видов сварки: контактную, сварку в струе защитных газов (1887 г.) и др.

В 1888 г. русский инженер Н. Г. Славянов изобрел способ сварки расплавляемым металлическим электродом и назвал его «электрической отливкой металлов».

Электрическая сварка металлов приобрела большую популярность в Западной Европе на заводах Крезо и общества -«Комантри» (Франция), на предприятиях Крупна в Эссене (Германия) л «Эргард и Гей» (Австрия), более чем на 20 заводах Англии. Особенно стремительно электросварку вводили в Англии, где в 1890 г. был построен специальный завод для производства сварочных машин и завод по эксплуатации электросварки методами Коффена и Детруа, приспособивших электрогефест для сварки небольших предметов. Электрогефест использовали также для резки металлов и сверления отверстий.

К сожалению, на родине изобретателей электросварки — в России новый способ получил ограниченное применение: в нескольких железнодорожных мастерских. К началу 900-х годов более 70 крупных заводов Западной Европы ввели у себя способы электрической отливки и паяния. Однако после промышленного освоения в 1906 г. ацетилено-кислородной сварки интерес к электросварке временно упал.

Развитие электрометаллургии и электрохимических производств с использованием электронагрева стало возможным после создания качественных и экономичных электрических печей. Одна из наиболее ранних попыток построить электрическую печь относится к 1815 г. Кусок стали, помещенный в специальную камеру, был нагрет проходящим по нему током.

Это была печь сопротивления прямого действия. Подобного рода печь промышленного значения была создана в 1884 г. братьями Коульс в США для восстановления алюминия и получения его сплавов. Другой вид — печи сопротивления косвенного действия: в них тепло выделялось в специальном нагревателе из токопрвводящего материала. Долгое время эти устройства оставались лишь в лабораториях.

По сравнению с печами сопротивления более прогрессивными оказались дуговые печи с использованием дугового электрического разряда. В таких печах можно было получить в небольшом объеме огромную концентрацию тепла, достаточную для расплавления даже самых тугоплавких металлов и минералов. В этом состояло основное преимущество электротермических аппаратов по сравнению с обычными металлургическими печами, в которых колоссальные потери тепла проистекали из-за нагрева самих печей и лучеиспускания их обширных поверхностей.

Практически пригодную конструкцию дуговой печи создал В. Сименс в 70-х годах XIX в. Со временем было разработано множество подобных аппаратов. Среди русских работ можно отметить дуговую электропечь Н. Г. Славянова (1890 г.) — так называемую изложницу, в которой осуществлялось электрическое уплотнение стальных отливок.

В 1892 г. французский химик А. Муассан построил дуговую электропечь, широко распространившуюся в химической и металлургической технологии. Мощность первых печей Муассана составляла не более 30 кВт, а во второй половине 90-х годов достигла 200 кВт и выше. Для их питания использовали постоянный и переменный трехфазный и однофазный токи.

Одно из основных условий удобного и экономичного функционирования электротермического аппарата состояло в небольшом расходе угля электродов и в возможности легкого и точного управления дугой. На практике получили распространение индуктивные автоматические регуляторы, выпускавшиеся американской фирмой «General Electric».

Электрические печи, использованные вначале для получения карбида кальция, стали технической базой для приготовления ферросплавов и стали.

Эксплуатация мощных дуговых электропечей была связана с существенными трудностями из-за огромных атолчков" тока — номинальный ток печей достигал нескольких сотен ампер. На технологический процесс решающее значение оказывали характеристики самой дуги. В частности, удлинение дуги способствовало экономичности печей, так как дуга при этом делалась более устойчивой и улучшалась передача тепла к металлу. Для придания дуге желаемой формы и размеров прибегали, начиная с первой печи Сименса, к установке электромагнитов.

Удачный способ удлинения дуги был найден русским инженером С. И. Тельным (1916 г.): в под печи закладывался медный соленоид, включенный последовательно с электродами, взаимодействие электромагнитного поля соленоида с дугой приводило дугу во вращение, отчего она удлинялась.

Продолжались поиски рациональных методов индукционного нагрева. В 1900 г. швед Ф. А. Челлин изобрел индукционную печь, питаемую током нормальной частоты (для выплавки цветных металлов). В 1907 г. А. Н. Лодыгин предложил нагревать и плавить металлы с помощью вихревых токов. В промышленных установках в первом десятилетии XX в. использовали трехфазные индукционные печи Рёхлинг-Роденгаузера и Челлина.

В конце прошлого века электрохимия, электрометаллургия и электротермия вошли в тесное взаимодействие. Со временем эти направления электротехники выделились в самостоятельные отрасли науки и техники. Эти электроемкие производства развивались по мере централизации производства электроэнергии и ее удешевления. Наиболее перспективным в данном случае оказалось электроснабжение от гидроэлектрических станций. В России, не располагавшей мощными ГЭС, электроемкие производства развились незначительно. В основном электроэнергию использовали для электропривода.

В рассматриваемый период электротехника выделялась из физики и становилась самостоятельной отраслью техники и промышленности. В 90-е годы на основе развивающейся системы трехфазного переменного тока обрела самостоятельность электроэнергетика. Это повлекло за собой глубокие преобразования во всех отраслях общественного производства. Начался переход от механических систем передачи энергии к электроприводу рабочих машин.

Шухардин С. В. "Техника в ее историческом развитии"