Электрификация технологических процессов производства
Вторым важным направлением электрификации промышленности является использование электрической энергии в технологических процессах производства.
В чем заключается эффективность электрификации технологических процессов?
Во-первых, электрическая энергия была использована для получения новых или улучшения ранее производимых материалов.
Процесс электролиза обеспечил широкое развитие производства алюминия, чистой меди, никеля и титана и многих других редких металлов.
В свою очередь, новые материалы открыли путь к развитию авиации, космической техники, атомной энергетики, электроники и многих других направлений новой техники.
Во-вторых, на основе использования электрической энергии были разработаны совершенно новые процессы производства, такие, как электросварка, электрохимия, гальванопластика, электроискровая обработка и т. п.
В-третьих, электрификация позволила в невиданных ранее объемах механизировать, а в последнее время автоматизировать технологию производства. При этом электрическая энергия обеспечила снижение трудовых и материальных затрат, что в конечном счете улучшило экономику технологии.
Рассмотрим более подробно несколько направлений электротехнологии.
В электротермических процессах производства электрическая энергия, превращаясь в тепло, обеспечивает получение нужных материалов. Процесс механизирован, легко управляем. Качество получаемого продукта высокое. При этих условиях электрификация термических процессов имеет высокие экономические показатели. Термические процессы с использованием электрической энергии имеют следующие преимущества: весь процесс легко регулируется по температурному режиму, обеспечивается равномерное распределение тепла по всему объему, тепло можно концентрировать в малом объеме и, наконец, процесс можно вести как в вакууме, так и в защитном слое.
Эти преимущества электротермического процесса дополняются конструктивной простотой электрифицированных агрегатов и санитарно-гигиенической его чистотой, т. е. созданием нормальных условий труда.
Производство электропечей и трансформаторов к ним в СССР началось еще в 1924 г. на одном из харьковских заводов. В последующие годы было организовано серийное производство электропечей отечественного производства.
Производство нержавеющих, жаропрочных, конструкционных и других видов специальных сталей возможно проводить только в электропечах, и в этой области они находятся вне конкуренции. Электропечи могут конкурировать с мартенами и в производстве обычной стали при определенных соотношениях мощностей. Проектными расчетами доказано, что производительность дуговой электропечи мощностью 60—70 т эквивалентна мартену в 160—180 т.
Преимущества электропечей заключаются также в ускорении процесса плавки металла. Дело в том, что завалка шихтой электропечи по сравнению с мартеновской печью сокращается с 2,5—3 ч до 15—20 мин. В электропечах последних конструкций предусмотрена прогрессивная и полностью механизированная завалка сверху, что значительно облегчает труд сталеваров и повышает его производительность.
Объем электропечи используется значительно лучше, здесь шихта заполняет весь полезный объем, тогда как в мартеновской печи необходимо оставлять свободное пространство для прохода газов.
Советский инженер Окороков еще в 1935—1938 гг. предложил весьма эффективный электромагнитный метод перемешивания металла, при помощи которого обеспечивается равномерность плавки и однородность структуры слитков.
При этом способе за счет равномерного прогрева металла время варки металла сокращается на 30— 40 мин, что увеличивает производительность электропечи. В итоге удельная производительность электропечи, отнесенная к 1 м 3 полезного объема, в 2—3 раза выше по сравнению с мартенами.
Поскольку процесс плавки в электропечи не только механизирован, но в значительной степени и автоматизирован, коренным образом меняется и труд сталевара.
В общем итоге экономическая эффективность электротермических процессов весьма высока.
Использование электропечей в производстве стали расширилось после введения кислородной продувки металла в конвертерах. Удельные капитальные затраты на строительство конвертеров примерно на 40% ниже стоимости мартенов, при этом и себестоимость плавки стали в конвертерах с кислородной продувкой стали сокращается на 30%. Поскольку кислородная продувка стали в конвертере позволила получать металл, по качеству равный с мартеновским, то оказалось экономически выгодным объединять конвертеры с мощными электропечами (так называемый дуплекс- процесс). Экономическая выгода дуплекс-процесса (конвертер —электропечь) заключается в сокращении удельного расхода электроэнергии на плавку стали в электропечах и уменьшении мощности трансформаторов для них.
Дальнейшее расширение использования электроэнергии в технологии выплавки стали зависит от освоения производства мощных электропечей электротехнической промышленностью СССР. В данное время Электропромышленные заводы Изготовляют электропечи мощностью 200 т. Намечено разработать и организовать производство более мощных электропечей.
Большую роль электроэнергия сыграла в производстве ферросплавов. Современная качественная металлургия основана на легированных добавках в сталь различных элементов — марганца, кремния, хрома, вольфрама, ванадия. Если ферромарганец можно получать в обычной домне, хотя при этом расходуется в 2,5 раза больше кокса по сравнению с получением его в электропечи, то другие ферросплавы (с кремнием, хромом, ванадием, вольфрамом) можно произвести только электропроцессом.
В соответствии с потребностями металлургии СССР построены три крупных завода ферросплавов — Челябинский, Запорожский и Зестафонский, на которых установлены мощные электропечи.
Экономическая эффективность электроэнергии в производстве ферросплавов очевидна. Легирующие добавки позволяют получать более качественный металл, в том числе нержавеющие марки сталей, без которых немыслима современная химическая промышленность, атомная энергетика и т. д.
Электротермический процесс широко применяется в производстве абразивов и карбида кальция.
Абразивы незаменимы в металлообработке, без них немыслимо обрабатывать изделия из твердых сталей. В данном случае экономическая эффективность электрификации производства абразивов имеет значение для всей промышленности.
В Советском Союзе действуют крупные заводы по производству абразивов в Запорожье, Ленинграде и
Узбекской ССР. Кроме этого, абразивы производят многие предприятия в электропечах небольшой мощности.
Электрохимия является важнейшим направлением в электрификации технологических процессов производства.
На основе электрохимии возник и развился электролиз металлов, благодаря которому стало возможным производить такие новые материалы, как алюминий, рафинированная медь, никель, а также получать цветные и редкие металлы высокой чистоты.
В Советском Союзе наиболее перспективными районами по развитию цветной электрометаллургии являются Сибирь с ее мощными гидроресурсами и крупными тепловыми электростанциями, которые могут быть созданы на базе открытых угольных разрезов.
Более глубокая переработка полиметаллических руд с извлечением многих компонентов в полной мере может быть обеспечена на основе широкого использования электроэнергии. Электрическая энергия широко используется в технологических процессах химической промышленности. С ее помощью интенсифицируется процесс, электричество используется для автоматизации управления агрегатов.
В результате за счет использования электроэнергии возрастают экономические показатели электрохимического производства.
В электролитическом процессе решающее значение имеют выпрямительные устройства, превращающие переменный ток энергосистем (электростанций) в постоянный, употребляемый в технологии получения металла.
С появлением и развитием полупроводниковой техники произошла, как уже отмечалось, смена ртутных выпрямителей на кремниевые, имеющие более высокую надежность, лучший внутренний КПД и значительно меньшие габариты.
Полупроводниковые выпрямители поддаются полной автоматизации, что обеспечивает высокую производительность труда на электроустановках электрометаллургических предприятий. Капитальные затраты на выпрямительные устройства, созданные на базе полупроводников, значительно меньше современных ртутных подстанций. В общем итоге полупроводниковые преобразователи обеспечивают более высокие технико-экономические показатели по сравнению с ртутными выпрямителями.
Гальванопластика и гальваностегия, являясь частью электрохимии, выполняют важнейшую функцию в народном хозяйстве.
Установлено, что около 10% производимых черных металлов идет на замену потерь металлических конструкций, машин из-за коррозии (ржавления). Эти потери могут быть значительно уменьшены, если металлические изделия будут покрываться антикоррозионным слоем.
Очень эффективен метод гальваностегии, с помощью которого наносится на черные металлы более стойкий к окислению слой другого металла. Этим же методом на трущиеся поверхности другого металла, например, валы или оси машин, наносится более твердый материал, что повышает срок службы основной детали. Гальваностегия позволяет создавать идеальные поверхности на установки, от которых должны отражаться лучи света, например, на отражатели прожекторов. Это достигается нанесением тонкого слоя таких металлов, как серебро, хром, обладающих высоким коэффициентом отражения.
Гальванопластика нашла наиболее широкое применение в полиграфической промышленности. Медные клише, изготовленные по этому методу, выдерживают до 250 тыс. оттисков против 25—30 тыс. оттисков, которые можно получить на цинковых клише, сделанных глубоким травлением.
Электросварка металлов произвела подлинную революцию и охватывает все новые области производства и широко внедряется во всех отраслях хозяйства.
Процесс сварки металла электрическим током был разработан и впервые осуществлен русскими учеными Η. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым.
Подлинный расцвет электросварочной техники наступил в Советском Союзе, когда началось гармоническое развитие электрификации с производством разнообразной сварочной техники.
Переломным моментом в технике электросварки следует считать переход с ручного на автоматический процесс сварки под слоем флюса.
Особенно ценные работы по созданию теории и практики технологии электросварки в сочетании с разработкой конструкций сварочных автоматов были проделаны Институтом электросварки Академии наук СССР под руководством Е. О. Патона в содружестве с ЦНИИТМАШем и заводом «Электрик». Применение сварочных автоматов повысило в 5—10 раз производительность труда по сравнению с ранее применяющимся полуавтоматическим способом.
В машиностроении стали применять электрошлаковую сварку (под слоем электропроводящего шлака), которая позволяет сваривать крупногабаритные части машин, станины и т. п. вместо их отливки. Этот способ электросварки не требует специальной подготовки свариваемого шва. Для такой электросварки применяются несколько электродов. Электрошлаковая сварка позволила охватить такие области, как сварка конструкций доменных и мартеновских печей, корпусов судов из толстых металлических листов, тяжелых станин различных машин, прокатных станов, корпусов гидравлических и тепловых турбин и генераторов и т. д.
По объему сварочных работ и технике электросварки Советский Союз занимает первое место среди других стран мира. Используя опыт электросварки, советские специалисты разработали и осуществили электронаплавку металла, восстанавливая изношенные части машин.
Электронаплавка начала применяться и для получения биметаллических (двух- и многослойных) листов; после электронаплавки двухслойная заготовка прокатывается на стане. Такой метод получения двухслойного металла позволяет резко сократить расход дорогих нержавеющих сталей и дает большую экономию народному хозяйству.
За последние годы в авиационной промышленности СССР успешно осуществлен процесс замены клепаных конструкций самолетов так называемыми клеесварными. Этот метод основан на электроконтактной сварке и склеивании, что повышает выносливость конструкции и сокращает вес самолета.
