Электронная технология

Электронная технология основана на применении электронных и ионных пучков, электрических и электромагнитных полей в целях обработки и преобразования материалов. Методы электронной технологии опираются на непосредственное использование сил электрического поля и свойств электрического разряда в газах, жидкостях и твердых телах. А "рабочим инструментом" ее являются электрически заряженные частицы вещества - электроны и ионы. Это "инструмент" неизнашиваемый, вечный и универсальный.

До недавнего времени электроника применялась в промышленности только как средство автоматизации, управления и контроля за технологическими процессами. Теперь она широко используется для непосредственного выполнения технологических операций, весьма сложных, а порой и недоступных для обычных способов обработки.

Одним из пионеров электронной технологии был советский ученый профессор А. Л. Чижевский. Его исследования сыграли решающую роль в развитии науки о биологическом действии аэроионов. Было установлено благотворное действие аэроионов на газообмен, тканевое дыхание, окислительно-восстановительные процессы, физико-химические свойства крови, функциональное состояние центральной нервной системы и т. п. Заслугой А. Л. Чижевского стало и практическое решение вопроса искусственного создания целебной, насыщенной аэроионами атмосферы в закрытых помещениях. В 30-е гг. впервые был проведен успешный опыт аэроионотерапии с помощью электроэффлюальных аэроионогенераторов конструкции А. Л. Чижевского. В 1932-1933 гг. А. Л. Чижевский организовал исследования влияния ионного потока в электрическом поле на посевной материал различных культур. А. Л. Чижевскому принадлежит и первое в мире изобретение способа электроокраски.

Электронная технология необычайно разнообразна по существу способов воздействия на материал и по областям применения. Отдельные ее виды освоены давно и широко распространены. Это электрохимия и электротермия. В последнее время появился ряд новых электротехнологических процессов, обладающих значительными технико-экономическими преимуществами. В промышленности широко используются электроочистка газов в электрофильтрах, электроокраска, регенерация формовочных земель, электроворсование. На отдельных заводах внедрены процессы электроэмалирования, электросепарации, электроформования абразивных изделий. Существуют установки электрокопчения пищевых продуктов, электроформования изделий из древесины, электрической очистки зерна.

Электричество плавит, очищает, упрочняет металл. Электротермия - быстро прогрессирующая отрасль техники. Электропечи находят широчайшее применение в самых разных отраслях народного хозяйства. Без них невозможно получать новые марки сталей и сплавов, титана, полупроводниковых материалов, желтого фосфора и прочих продуктов и материалов, без которых нынешняя техника и сельское хозяйство не могут существовать.

Авиации и ракетостроению нужны сплавы высокой жаропрочности, химии - нержавеющие и стойкие, шарикоподшипниковой промышленности - повышенной твердости и износоустойчивости. Их получение возможно только с помощью электропечей.

"Сжигая уголь, нефть, газ, - рассказывает начальник Всесоюзного промышленного объединения Союзэлектротерм В. Г. Субочев, - мы никогда не получим столь высокой температуры, как в электропечи, - ведь, температура, создаваемая горящим телом, ограничена его теллотворной способностью. У электротермии такого ограничения нет, она дает возможность получать высокие и сверхвысокие температуры.

Вещества, нагреваемые в пламени угля, нефти, газа, неизбежно загрязняются продуктами сгорания. При нынешних требованиях к чистоте металлов это недопустимо. Только электропечь дает возможность защитить расплавляемое вещество от внешней среды, сделать его чистым и сверхчистым. Температуру в электропечах легче регулировать, чем в пламенных. Они обеспечивают нагрев до тысячи градусов с отклонением, не превышающим полградуса или меньше того. Печи такого типа, так же как и точные станки, называются прецизионными".

С помощью пламени нельзя нагреть деталь так, чтобы какой-то небольшой ее участок имел высокую температуру, а остальные низкую, или прогреть его на заданную глубину. Меж тем подобные требования вовсе не редкость для современного производства. И здесь незаменимы электропечи. Выпуск заводами продукции электротермического оборудования с 1947 по 1975 г. увеличился приблизительно в 75 раз.

В Советском Союзе изобретен электрошлаковый переплав - способ получения особо чистого и однородного металла. В сосуде, охлаждаемом водой, расплавляют шлак - смесь обожженной извести, глинозема, плавикового шпата и других веществ. К шлаку, в который погружен электрод, подводят электричество. Электрод плавится, капли расплавленного металла проходят сквозь шлак и падают в сосуд-кристаллизатор. Проходя через шлак, металл очищается от серы, кислорода и прочих вредных примесей. В кристаллизаторе капли сливаются. Получается слиток с однородной структурой. С помощью электрошлакового переплава можно переплавлять почти все марки сталей, получать новые сплавы. Их жаропрочность, износостойкость, устойчивость к агрессивным жидкостям и газам резко увеличиваются. За создание этого способа группа сотрудников Института электросварки имени Е. О. Патона удостоена Ленинской премии 1963 г.

Специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института электротермического оборудования поставили рядом две электропечи, соединив их последовательно. Тепловой эффект при этом тот же самый, а электрический - совсем другой. Токи самоиндукции стали компенсировать друг Друга, сопротивление резко уменьшалось. Изобретение было реализовано на московском заводе "Серп и молот". Оно дало хорошие результаты и запатентовано в Англии, Франции, ФРГ, Швеции, Италии, США, Австрии, Бельгии, Канаде.

Советские специалисты в одном агрегате соединили плавильное устройство и литейную форму. Ни один из известных прежде способов литья и ковки не давал столь высокой производительности труда в сочетании с отличным качеством изделий. Новый способ позволяет к тому же уменьшить площади литейных цехов, отменяет плавильные печи, разливочные ковши, машины для приготовления формовочных смесей и заливки форм. С помощью электрошлаковогр литья получают изделия не только круглого, но и квадратного, прямоугольного, трубчатого сечений.

Электронный луч имеет неоспоримые преимущества перед всеми другими способами нагрева. С помощью фокусировки его удельная мощность может меняться от единиц до миллионов киловатт на квадратный сантиметр. Электронным лучом можно плавить любые материалы, в том числе и самые тугоплавкие, достигая любой температуры расплава и длительности выдержки расплавленного жидкого металла в вакууме.

Все это обеспечивает получение металла исключительно высокого качества, с новыми электрическими и механическими свойствами, приобретенными за счет наиболее полной очистки его от газов, отгонки летучих примесей и осуществления других физико-химических процессов. Металл, переплавленный в вакууме, резко изменяет свои свойства. Так, тугоплавкий ниобий становится настолько пластичным, что из прутка такого ниобия диаметром 50 мм можно методом холодной прокатки изготовить фольгу толщиной 10 мк.

Для получения особо чистых металлов, например монокристаллов вольфрама, молибдена, тантала и других тугоплавких материалов, применяется способ зонной очистки с электронным нагревом. После такой очистки пруток обычного хрупкого вольфрама может быть изогнут в кольцо диаметром меньше диаметра самого прутка или протянут без отжига в проволоку толщиной с волос.

Катоды и подогреватели электровакуумных приборов, сделанные из монокристаллических слитков, намного долговечнее изготовленных без применения электронной технологии. Сильный перегрев расплавленного материала электронным лучом в вакууме вызывает интенсивное испарение, причем пары материала конденсируются на холодных поверхностях в виде тонких разномерных пленок. На этом принципе основана работа технологических установок для получения молекулярных металлических, диэлектрических и полупроводниковых пленок и многослойных покрытий деталей.

На основе центробежно-электростатического метода и метода формирования мощных электронных пучков, разработанных в Институте радиотехники и электроники АН СССР, сотрудниками Всесоюзного электротехнического института имени В. И. ЛеЯина в содружестве с сотрудниками названного института создана электронная пушка мощностью 500 кВт для плавки металлов электронным пучком. Пушка прошла эксплуатационно-промышленную проверку.

Если поток электронов, ускоренный напряжением 100-150 тыс. В, сфокусировать в узкий луч диаметром около 1 мк, то любой материал, на который будет направлен такой луч, мгновенно испарится. На этом принципе основано действие электронно-лучевых станков для размерной обработки металлов, диэлектриков и полупроводников. Электронный луч, как микроминиатюрный инструмент, может резать, сверлить, фрезеровать, строгать с микронной точностью любой материал, даже вольфрам и алмаз.

Одно из направлений электронной технологии - использование в производственных процессах сил электрического поля, под влиянием которых частицы материала перемещаются по заданной программе. Оно дает прекрасный эффект при очистке газов, сепарации твердых частиц, разделении жидкостей, окраске, ворсовании, формовании, смешивании порошков.

Тбилисский институт электронно-ионной технологии - головная организация в нашей стране, где разрабатываются прогрессивные технологические процессы с использованием сильных электрических полей, а также оборудование для осуществления этих процессов. На многих промышленных предприятиях и в сельском хозяйстве применяются созданные в институте источники высокого напряжения электрического тока. Они дают значительный экономический эффект. Семена, движущиеся по ленте транспортера, пропускаются через сильное электрическое поле, создание источниками высокого напряжения. Процесс длится от одной до четырех сотых секунды, но этого достаточно, чтобы повысить биологическую активность семян. В Челябинской области значительная часть площадей под пшеницу засевается семенами, прошедшими обработку в сильном электрическом поле. Прирост урожайности достигает 15-20%.

На свойстве перемещения заряженных частиц в электрическом поле основано действие электрических фильтров. Они очищают отработанные газы от примесей, загрязняющих атмосферу. Улавливание, например, этими фильтрами цементной пыли, выбрасываемой отходящими газами в атмосферу, не только оздоровляет воздух и почву, но и увеличивает товарный выпуск цемента на 15-20%.

Многие процессы производства требуют, чтобы на рабочих местах совсем не было пыли. Существовавшие прежде методы очистки воздуха сокращали число пылинок в нем - за час на квадратном сантиметре поверхности их оседало до нескольких сот. Электрические фильтры очищают воздух от пыли в сотни раз лучше, практически ликвидируют все пылинки. Электрические фильтры удаляют из воздуха не только пыль, но и микробы. Поэтому они незаменимы в медицинских учреждениях.

Электронная технология широко используется для разделения различных веществ и частиц разных размеров. На этом принципе основано действие электрического фильтра для удаления дыма и вредных газов. Если частицам дыма сообщить электрический заряд одного и того же знака, то они легко уловятся фильтром, притягиваясь к его противоположно заряженным поверхностям. Используя такой принцип разделения заряженных частиц в электрическом поле, можно обогащать руды редких и рассеянных металлов, очищать от вредных примесей сырую нефть, калибровать семена перед посевом и т. д.

Под действием электрического поля можно не только разделять, но и смешивать разные вещества. Большей частью в производственных процессах смешивание материалов осуществляется в воде или в специальных растворителях, т. е. в жидкой среде. Так, чтобы получить цемент, надо добавить к исходному сырью воду, а затем выпарить ее, на что расходуются горы топлива. Точно так же поступают и.при производстве бумаги, картона, целлюлозы, керамических материалов и строительных деталей. Электронная технология заменяет растворитель электрическим полем, избавляя от необходимости создавать при смешивании жидкую среду. Это принесет народному хозяйству миллиарды рублей экономии. Одновременно со смешиванием материалов в электрическом поле их можно нагревать, плавить, подвергать химическим реакциям. Задавая электрическим полям различные конфигурации, можно будет формовать детали и предметы прямо из заготовленного сырья.

Применение электрических полей при окраске автомашин, эмалировании посуды, глазуровании облицовочной керамики стало основой технологии этих видов производства. При этом сама технология упростилась, повысилось качество изделий, а государство получило большую экономию исходных материалов, средств производства и труда.

Известно, что при движении частиц в электрическом поле происходит их ориентация вдоль силовых линий. Это явление используется в производстве волокнистых и ворсовых материалов для повышения плотности волокон ворса до 100 тыс. на квадратный сантиметр. В полиграфии широко применяются электростатические поля и фотоэффект. Электронная технология получения копий чертежей освобождает большое количество людей от трудоемкого процесса изготовления калек и значительно улучшает качество копий.

Проектно-технологическое бюро по электронно-ионной технологии Института народного хозяйства имени Г. В. Плеханова разработало способ длительного хранения овощей. После обработки в электрическом поле овощи могут храниться от нескольких месяцев до нескольких лет, не теряя питательных качеств, вкуса и аромата. Огромную пользу окажет электронно-ионная технология при перевозке и хранении скоропортящихся продуктов - ягод, мяса, молока.

С 30-х гг. XIX в. было известно, что в теле, помещенном в переменное магнитное поле, возникают индукционные токи, вызывающие нагрев. Но использование этого явления стало возможным только в 30-е гг. нашего века, после теоретических работ основателя Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института токов высокой частоты профессора В. П. Вологдина. Сегодня интитут, названный его именем, возглавляет его сын В. В. Вологдин. Он рассказывает:

"Конвейерная кулинарная печь на высокочастотном токе уже работает на ряде предприятий общественного питания. Отзывы о ней прекрасные. Недалеко время, когда такую установку небольших размеров сможет приобрести любая семья. Печь мощностью в 600 Вт подготавливает к выпуску Таллинский электротехнический завод имени М. И. Калинина. Простейшая по устройству камера будет работать в трех режимах - размораживание полуфабриката после холодильника, приготовление пищи, подогрев.

По заданию ленинградской фирмы "Скороход" в институте создана установка, способная воспроизвести любой вид тиснения на искусственных заменителях кожи. Электрический ток высокой частоты соединяет детали кроя, наносит на поверхность обуви строчку, создает подобие декоративного шва. Производственники получили возможность формовать на автоматах изящные и современные изделия. Токи высокой частоты уверенно прокладывают дорогу в разные отрасли народного хозяйства".

В последние годы отечественным медицинским приборостроением стали изготовляться принципиально новые приборы РКЭ-1 и РКЭ-2 - электромагнитные расходомеры крови. Появление таких приборов обусловлено давно назревшей потребностью точно знать, как действует сердечно-сосудистая система человека. В основу действия расходомера положен закон электромагнитной индукции. Согласно ему, в проводнике, который движется в магнитном поле, возникает электродвижущая сила, прямо пропорциональная скорости движения. В данном случае проводником является кровь.

Прибор точно, в миллилитрах в единицу времени, определяет количество крови, протекающей через сосуд диаметром от 1 мм до 40 мм. Самописцем ведется непрерывная запись изменения кровотока. Она позволяет точно определить, хорошо ли снабжается кровью тот или иной орган, велики ли отклонения от нормы. РКЭ-2 отличается от своего предшественника возможностью контролировать кровоток одновременно в двух сосудах. Приборы OРКЭ-1 и РКЭ-2 награждены золотыми медалями ВДНХ СССР.

"Можно смело сказать, что с применением расходомеров достигнут ощутимый прогресс в развитии отечественной медицинской науки и техники, - считает известный хирург, академик АМН СССР В. И. Бураковский. - Бесспорно, что в недалеком будущем все операции на сердце, сосудах, печени и на других органах будут проходить под контролем расходомеров - приборов, которые без преувеличения можно назвать электронными глазами хирурга".

Приведенные примеры далеко не исчерпывают многогранных и все расширяющихся областей применения электроники. Она стала одним из важнейших катализаторов научно-технического прогресса. Открывая новые возможности для исследований, совершенствуя производство, улучшая быт, электроника постоянно развивается. Новые открытия и изобретения позволят еще полнее использовать ее. Электроника в огромной мере облегчит труд, сделает его более высокопроизводительным и несравненно более содержательным.