Покоренная плазма

Глава VI Электрический гефест сегодня

Приглядитесь к предметам, которые окружают вас. Обратите внимание на то, как соединены между собой металлические детали этих предметов.

Вот железная кружка. Ее ручка прочно держится сбоку, хотя и сделана она из отдельного куска железа. Рядом — чайник. Его части тоже «склеены» друг с другом. На стене дома укреплена пожарная лестница. Ее детали прочно соединены между собой. Можно не сомневаться: лестница выдержит хоть целое отделение пожарников!

Вы, очевидно, догадались, какой «портной» так прочно «сшивает» металлические детали: электросварка.

А что такое электросварка? Это электрическая дуга, плазма. Вы уже знаете, как была открыта дуга и какую помощь на первых порах она оказывала людям. Посмотрим, как жаркое пламя дуги работает в наши дни.

Никогда прежде не требовалось столько сварочных работ, как в наше время. XXI съезд КПСС, принявший семилетний план развития народного хозяйства СССР, потребовал еще шире применять сварные конструкции, заменять ими клепаные и другие соединения. Это указание успешно выполняется.

В распоряжении людей имеется целое семейство сварочных машин. Одни из них по устройству просты, напоминают «Электрогефест» Бенардоса, другие — очень сложные, работающие с точностью часового механизма.

Мы — в цехе большого машиностроительного завода. Здесь трудится несколько умных машин — сварочных автоматов.

На длинном столе аккуратно уложены детали, которые нужно сварить. Над ними ползет сварочный автомат, напоминающий большую электродрель. Там, где ложится шов сварки, бушует яркое пламя дуги. В это пламя непрерывно сыплется порошок — флюс, он улучшает качество шва, делает его прочным. Специальное устройство автоматически «кормит» дугу проволокой-электродом, который, расплавляясь, соединяет детали.

Автомат обладает безошибочным «зрением». Он сам определяет плохо проваренные листы и немедленно реагирует на это. Как это ему удается?

Проволока-электрод поступает к месту, где образовалась дуга, с постоянной скоростью. Сам же автомат может двигаться то быстрей, то медленней. Предположим, автомат забежал вперед, а шов еще не готов. Пламя дуги растянулось, оно стало длиннее. Раз так, значит, и напряжение на дуге увеличилось. Мотор, который катит автомат вдоль шва, тотчас среагирует на это увеличение напряжения. Он уменьшит свои обороты, затормозит автомат. Когда же шов заполнится расплавленным металлом, дуга укоротится, и мотор снова начнет работать быстрее.

Автоматы-сварщики сейчас применяются всюду — при сварке корпусов морских и речных судов, металлических каркасов высотных зданий, огромных цистерн, толстых труб, балок и т. д. Чтобы угнаться за одним таким автоматом, нужно поставить не менее десяти квалифицированных сварщиков!

Электрической дуге стало тесно на земле, и она спустилась в подводное царство. Здесь ей сразу нашлась уйма дел.

Получил корабль пробоину — сварщик-подводник вмиг приварит заплату. Ремонт производится прямо в порту, корабль не нужно буксировать в док и ставить на длительный ремонт.

Много хлопот раньше доставлял ремонт портовых сооружений, разъедаемых морской водой. И эту работу с успехом выполнят сварщики-подводники.

Главная заслуга в «водворении» плазмы под воду принадлежит профессору К. К. Хренову. Много часов провел он под водой, прежде чем удалось справиться с капризами плазмы. Профессор Хренов создал особую тугоплавкую обмазку для электродов. В пламени плазмы она плавится позднее, чем металл электрода. Благодаря этому на конце электрода всегда имеется капля обмазки, на которой повисает газовый пузырь. Внутри этого пузыря плазма чувствует себя как дома и успешно справляется с любой работой, которую ей предлагают. И хотя вокруг пузыря бурлит вода, дуга в нем горит устойчиво.

Здесь мы рассмотрели примеры «портновских» способностей дуги. Но хороший портной должен и умело кроить. Плазма великолепно справляется и с такой работой.

Вам, очевидно, приходилось видеть, как действует сварщик, если нужно, например, отрезать кусок железной трубы. Он увеличивает напряжение, создающее дугу, и мощным пламенем дуги расплавляет металл. Проходит минута-другая, и конец трубы отваливается. Это непроизводительный способ резки! Слишком много тратится электроэнергии, и к тому же разрез получается неровным.

На предприятиях, где разрезать металлические листы и трубы приходится часто, резку делают иначе. Электрической дуге дают помощника — кислород. Он подается по шлангу и обрушивается на раскаленный докрасна металл. Что происходит при этом? Железо, сталь, например, начинают гореть, окисляться.

А окислы — вещь непрочная. Толстая труба или лист железа разваливаются на две части.

Может быть, ни к чему мудрить с плазмой, когда можно разрезать металлы пламенем газовой горелки? К тому же имеются целые наборы газовых резаков!

Верно. Газовая резка металлов широко применяется в наши дни. Но она хороша для резки железа, стали, марганца. Электрическая же дуга одинаково хорошо режет и сталь, и чугун, и цветные металлы.

Перед плазмой сдается любой металл.

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.

Вся камера и особенно угольная пластинка, через которую выбрасывается плазма, тотчас бы расплавились, если бы не было охлаждения. В камеру по касательной врывается струя воды или инертного газа, которая, испаряясь, охлаждает стенки и спасает их от гибели. Но охладитель делает еще одно важное дело. Он помогает… поднять температуру плазмы. Да, да, холодная вода заставляет плазму разогреваться сильнее. Парадокс?

Нет!

Струя воды, попав в камеру, охлаждает не только ее стенки, но и внешние слои плазменного шнура. От этого ионов в этой части плазмы становится меньше и наружные слои начинают хуже пропускать ток.

Разрядный ток поэтому концентрируется, в основном, в центральной, более горячей части плазмы. Частота столкновения частиц газа, а значит, и температура плазмы в «сердцевине» увеличивается.

Происходит так называемое первое термическое сужение. Но это не все: за первым термическим сужением наступает второе.

Еще Фарадей заметил, что два проводника с током притягиваются друг к другу, если ток в них течет в одну и ту же сторону. Причина — взаимодействие магнитных полей, окружающих каждый проводник.

Движущиеся электрические заряды в тонком шнуре дуги можно представить как большое количество проводников с током. Когда произошло первое термическое сужение, эти «проводники» оказались тесно прижатыми друг к другу. Явление, открытое Фарадеем, сказывается на них теперь более заметно — шнур плазмы сжимается еще больше. А это ведет к новому прыжку температуры.

Электромагнитные силы, возникающие в разрядной камере, выталкивают плазму подобно тому, как водяной насос пожарной машины выбрасывает сильную струю воды из брандспойта.

Теперь можно заставить эту струю плазмы работать.

А дел для нее есть немало.

Мы уже говорили о кислородно-дуговой резке металлов. При этом способе дуга нагревает докрасна металл, а струя кислорода, окисляя, режет его.

Оказывается, плазменный брандспойт лучше справляется с такой работой. Температура струи плазмы столь высока, что ни предварительного нагрева металла, ни запаса кислорода не нужно. Сталь сама мгновенно плавится, легко уступает натиску плазмы. Огненный нож струи плазмы проходит через металл так же легко, как стальной нож через масло.

В современной технике широко применяются всевозможные жароупорные материалы. Они названы так потому, что стойко выдерживают натиск тепла. Поэтому обработка их — дело хлопотливое и трудоемкое.

Использование струи плазмы позволяет производить ее значительно быстрее.

А керамика? До последнего времени готовые изделия из керамики не удавалось плавить. В струе плазмы легко плавится и керамика. Это позволяет отливать из нее резцы, получать сплавы керамики с металлами, изготовлять детали, необходимые и химикам, и металлургам, и машиностроителям.

Каждый школьник знает, как «разлучить» воду и растворенные в ней соли. Нужно нагреть воду и испарять ее до тех пор, пока на дне не останется одна соль.

Струя плазмы может успешно выступать в роли такого испарителя. Нагревая и испаряя любые материалы, можно по очереди отделять одни их составные части от других. Если направить струю плазмы на куски руды, то нетрудно будет выделить из нее какой-либо редкий металл и получить его в чистом виде.

Плазмохимия — так можно назвать это применение плазмы — исключительно перспективная отрасль техники. Сейчас она делает первые шаги.

А теперь посмотрим, как еще в технике используется струя плазмы.

На рисунке вы видите разрез так называемого аэродинамического тоннеля.

Словно смерч врывается в него струя плазмы. Расширяясь и непрерывно набирая скорость, она способна смести все на своем пути. В узком месте тоннеля скорость раскаленной плазмы может превысить скорость звука даже в десять — двадцать раз!

Подставляя этому потоку модели самолетов и ракет, можно испытать их на прочность.

Современные ракеты при своем движении выбрасывают огромное количество плазмы. Как себя чувствуют ракеты при отрыве от Земли или во время космических полетов — важнейший вопрос ракетной техники.

Установки, подобные аэродинамическому тоннелю, позволяют досконально изучить этот вопрос, причем, как видите, отпадает необходимость поднимать ракету в воздух.

Не так давно в иностранной печати появилось описание одной оригинальной аэродинамической трубы, в которой главную роль тоже играет плазма. Эту трубу построила известная американская фирма «Боинг» в Сиэтле.

Плазма возникает в небольшой камере после разряда гигантской батареи, состоящей из четырех тысяч конденсаторов. Разрядная камера отделена от аэродинамической трубы пластмассовой перегородкой.

Перед «взрывом» мощный насос нагнетает в камеру воздух до давления ста сорока атмосфер, а из аэродинамической трубы другой насос откачивает воздух совсем.

Когда батарея конденсаторов зарядится до шести тысяч вольт, напряжение от нее подается на электроды и внутри камеры происходит разряд, похожий по своему действию на взрыв. Тридцать миллионов киловатт — такая мощность за короткое мгновение освобождается в камере. Возникшая при этом плазма имеет очень высокую температуру — четырнадцать тысяч градусов!

Огненный вихрь, сломав пластмассовую перегородку, врывается в аэродинамическую трубу и разгоняется до скорости, в двадцать семь раз большей скорости звука. И хотя это происходит в течение лишь одной двадцать пятой доли секунды, точные приборы добросовестно запишут, как ведут себя разные детали макета самолета или ракеты.

В нашей стране подобным исследованиям также уделяется большое внимание.

Созданные в СССР аэродинамические трубы отвечают всем требованиям современной техники.