Последние новости
Главная / Технологии / Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Система водоснабжения Нью-Йорка считается наиболее разветвленной в мире. Со времени основания в начале XVII в. город постоянно искал чистые и надежные источники воды. Их поиск проводился в районе с радиусом 200 км. В настоящее время город снабжается водой из 19 резервуаров и трех озер на севере и западе штата, имеющих общую емкость более 2,0 млрд м3 (рис. 1). Подача воды составляет около 3,8 млн м3 /сут для 8,5 млн жителей города, миллионов туристов и около 420 тыс. м3 /сут для примыкающих к городу округов.

Вода поступает к Нью-Йорку по подземным водоводам — акведукам. Три главных из них передают воду из трех систем резервуаров к оперативным хранилищам и компенсирующим емкостям, а три городских туннеля соединяют эти резервуары и распределительные сети. Город, состоящий из пяти районов (Манхэттен, Бруклин, Бронкс, Квинс и Стэйтен-Айленд), обслуживается сетью водных магистралей общей длиной почти 10,0 тыс. км диаметром от 15 см до 2,1 м.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 1. Схема водоснабжения Нью-Йорка. Фото: www.nyc.gov/html/nycwater/html/drinking/reservoir.shtml

ВНЕШНЕЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Как уже говорилось, водоснабжение Нью-Йорка осуществляется из трех систем резервуаров. Старейшей является Кротонская система, расположенная в 40 км от Нью-Йорка. До того, как она была построена, жители города получали воду из колодцев, прудов и ручьев. Система начала эксплуатироваться в 1942 г., и сегодня через Кротонский акведук она дает городу до 10 % питьевой воды, которая поступает в резервуары Джером парка, расположенного в северо-западной части Бронкса. На самом деле этот парк представляет собой небольшое зеленое пространство, отделенное от воды двойной оградой (рис. 2). Далее вода поступает в резервуары всемирно известного Центрального парка (рис. 3).

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 2. Резервуар в Джером-парке. Фото: hiddenwatersblog.wordpress.com/2017/01/05/jeromep/

Катскильская система, завершенная в 1927 г., теперь доставляет около 40 % всей необходимой городу воды через Катскильский акведук и включает в себя резервуары Хиллвью (рис. 4) и Кенсико (рис. 5), расположенные в 160 км севернее Нью-Йорка.

Третий главный компонент водоснабжения города — система Делавер, расположенная в 200 км северо-западнее Нью-Йорка. Законченная в 1967 г., это — новейшая и наибольшая из трех систем. Она подает около 50 % необходимого объема воды через Делаверский акведук к тем же резервуарам Хиллвью и Кенсико. Хотя работы на этой системе начались в 1936 г., строительство дважды прерывалось — вначале судебными тяжбами, затем — Второй мировой войной.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 3. Один из резервуаров Центрального парка. Фото: www.centralpark.com/things-to-do/attractions/reservoir/

Вода к Нью-Йорку подходит по Кротонскому (рис. 6), Катскильскому и Делаверскому акведукам. Первый из них длиной 53,1 км прокладывался между 1837 и 1842 гг. встречными забоями из 40 вертикальных шахт глубиной от 6,0 м до 120 м. На основном участке он представляет собой туннель диаметром 4,0 м, закрепленный кирпичом, со средней глубиной от поверхности 38,0 м. Местами кирпичная кладка усилена чугунными кольцами. На участке примыкания к резервуару Центрального парка длиной около 2,0 км вода поступает по трубам.

Туннель проходился буровзрывным способом через вертикальные шахты. Как это всегда бывает при подземных работах, часто требовались специальные меры по предотвращению сползания в туннель мокрого песка и гравия.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 4. Резервуар Хиллвью. Фото: newyorkcity.blogs. sudouest.fr/archive/2008/11/04/comment-fonctionne-une-…

На севере Манхэттена проведение туннеля под рекой Гарлем вначале планировалось на глубине 46,0 м, где разведочное бурение показало наличие в кровле скального слоя мощностью 2,0 м. Однако после проходки 90,0 м туннеля на его трассе обнаружилась связанная с рекой полость, из которой вода с песком свободно изливались в туннель. Поэтому пришлось отказаться от продолжения проходческих работ по запланированной трассе туннеля и расположить его на глубине 90,0 м от поверхности реки.

Катскильский акведук имеет общую длину 262 км, из которой 88 км построены открытым способом, 45 км построены как безнапорный туннель, 56 км — как напорный туннель, 10 км представляют собой стальной сифон и 63 км — труб (рис. 7).

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 5. Одна из ветвей резервуара Кенсико с плотиной. Фото: maps.yourgmap.com/v/9_1nk_Water_Water.html

Одной из сложных инженерных задач при строительстве акведука было пересечение им реки Гудзон. Здесь рассматривались несколько возможных вариантов: строительство моста, несущего трубу через реку, прокладка труб в траншее на дне реки, проходка на глубине около 30,0 м от поверхности реки туннеля, закрепленного стальной оболочкой или содержащего трубы. Окончательно был принят вариант проходки туннеля в скальной породе. Однако поиски этого скального слоя бурением разведочных скважин заняли годы. Скважины бурились с берегов реки из специально пройденных разведочных шахт и с барж в реке для обнаружения слоя гранита мощностью не менее 45,0 м в кровле туннеля, чтобы противостоять давлению воды в нем. Вертикальные и наклонные скважины на глубине около 350,0 м обнаружили нужный слой гранита, а затем из углубленных разведочных шахт на этой глубине с помощью буровзрывных работ был пройден туннель круглого сечения диаметром 5,2 м длиной более 920,0 м.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 6. Ремонтные работы в Кротонском акведуке. Фото: http://haks.net/project.php?mark-sub=serv-sub&scat_id=78&pro_id=201

Делаверский акведук — закрепленный бетоном туннель круглого сечения с диаметром 4,5–5,5 м, общей длиной 135,2 км, построен из 31 вертикальной шахты и состоит из 3 напорных туннелей, пройденных в скальном слое на глубине от 91,0 м до 472,0 м (рис. 8).

На севере штата Нью-Йорк в городе Вестчестер в 2012 г. начала работать Катскил-Делаверскаяультрафиолетовая дезинфекционная установка, наибольшая в мире по обеззараживанию питьевой воды. Она занимает территорию 15 000 м2 и имеет производительность 8,3 млн м3 /сут (рис. 9).

ГОРОДСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Вода, пришедшая к городу из системы внешнего водоснабжения, собирается в резервуарах Кенсико и Хиллвью, парка Джером и Центрального парка. Отсюда по городским туннелям 1, 2, 3 вода подается к распределительным сетям, общая длина которых, как уже говорилось, составляет более 10,0 тыс. км. По вертикальным шахтам, которые служили для проходки туннелей, вода поднимается на уровень улиц, где разводится по городским сетям с трубами диаметрами до 2,1 м.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка
Рис. 7. Поперечные сечения Катскильского акведука: вверху — участок, построенный открытым способом, внизу слева — участок безнапорного туннеля, справа — участок напорного туннеля (размеры в футах и дюймах, 1 фут=0,3 м; 1 дюйм=2,54 см). Фото: www.catskillarchive.com/rrextra/dnaque.Html

Напор воды в системе создается за счет разницы высот около 300 м между питающими резервуарами и распределяющими системами районов города. Создаваемое таким образом давление достаточно для подъема воды на уровень шестых этажей большинства строений без дополнительной подкачки.

Вначале городские власти не осознавали необходимости строительства туннелей для городского водоснабжения, поскольку считали возможным обойтись только прокладкой труб под улицами, что применяется в большинстве городов. Однако сравнение пропускной способности туннеля и труб показало, что туннель диаметром 4,5 м эквивалентен 23 трубам диаметром по 1,2 м или 16 трубам диаметром по 1,7 м. Обычная водопроводно-насосная система потребовала бы весьма значительных первоначальных затрат, а также больших эксплуатационных затрат по дальнейшему поддержанию разнотипных труб (рис. 10). Поэтому было принято решение о строительстве туннелей, позволяющих, кроме снижения затрат, обеспечить более высокое давление воды в сети, чтобы достичь высоких строений города без применения насосных станций. Туннели, кроме того, позволяют лучше, чем водопроводная сеть, обеспечить резкое увеличение пропускной способности в экстренных случаях, например, при возникновении пожара.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 8. Строительство Делаверского акведука. Фото: http:// america. aljazeera.com/watch/shows/america-tonight/articles/2014/8/4/new-york-water-…

Городской туннель 1 был запроектирован, чтобы доставить воду в Нью-Йорк, поступающую от Кастильских гор. Построенный в 1911–1915 гг., он имеет длину около 29,0 км, диаметр 3,4–4,6 км, способен подать около 3,8 млн м3 воды в сутки к 1 млн жителей. Выходя из резервуара Хиллвью, туннель достигает районов Бронкс, Манхэттен и Бруклин, пересекая две реки — Гарлем и Ист-Ривер. Глубина его расположения составляет 76,0–230,0 м. После завершения строительства этот туннель стал наибольшим напорным туннелем в мире.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 9. Катскил-Делаверская ультрафиолетовая дезинфекционная установка. Фото: www.water-technology.net/projects/catskill-delawareultraviolet-water-treatment-facility/

При строительстве туннеля использовались тонны взрывчатки, и поэтому особой заботой строителей было предотвращение повреждений существующих сетей канализации, водопровода, электроснабжения, а также линий метро. В результате, проводимые взрывные работы, как правило, не замечались жителями города, за исключением периодически сооружаемых вертикальных шахт, через которые проходились участки туннелей. Всего вдоль трассы туннеля 1 были пройдены 24 таких шахты с расстоянием между ними 1,2 км, из которых 22 остались служить для доставки воды к магистралям на поверхности.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 10.Схема подземной распределительной водопроводной сети Нью-Йорка. Фото: www.nyc.gov/html/dep/pdf/climate/ one-nyc-one-water.pdf

Из-за высокого уровня грунтовых вод при проходке шахт применялись кессонные камеры, стены которых использовались, как временная крепь шахт (рис. 11). Их диаметр варьировался от 4,6 м до 5,5 м. По мере опускания кессонной камеры грунт из забоя шахты вынимался и выдавался на поверхность. Чтобы избежать проникновения воды, давление внутри кессонной камеры составляло 3,2 атм.

Для обеспечения водой одного из городских районов — острова Стейтен-Айленд — через Нью-Йоркскую бухту, отделяющую этот остров от Бруклина, в 1914–1917 гг. по дну бухты в траншее длиной более 3,0 км, шириной около 9,0 м, и глубиной от 3,0 до 10 м была проложена чугунная труба диаметром 1,2 м. Был также построен подземный резервуар емкостью 380 тыс. м3 на месте осушенного озера, чтобы сохранить напор воды. В 1962–1970 гг. эта труба была заменена напорным Ричмонд-туннелем длиной 7,6 км, диаметром 3,0 м, пройденным на глубине 290,0 м ниже дна Нью-Йоркской бухты из двух вертикальных шахт, расположенных на берегах островов Стейтен-Айлен и Бруклин.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 11. Подземные работы в кесонной камере. Фото: www.alertdiver. com/Caissons_Compressed_Air_Work_Deep_Tunneling

Городской туннель 2, как и туннель 1, питается водой из резервуара Хиллвью. Проходился он с использованием методов и техники строительства туннеля 1. Туннель 2 имеет диаметр 4,6–5,2 м, длину 32,2 км. Глубина расположения туннеля 110,0–234,0 м. Около 26,0 км туннеля проходит непосредственно под городскими улицами, около 1,3 км туннеля расположено под рекой, но жизнь города избежала каких-либо нарушений (рис. 12). На рис.13 показано сечение туннеля 2. Работы проводились в 1928–1935 гг. Были построены 19 вертикальных шахт глубиной 110,0–234,0 м, которые располагались на расстоянии 2,1 км друг от друга.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 12. Модель размещения подземных сооружений Нью-Йорка: Water distribution hub — распределитель воды; Est River: 83 feet deep below the Brooklyn Bridge — река Ист Ривер: 25 м глубина под мостом Бруклин Бридж; Depth in feet — глубина в футах; Subways: 30 to 50 feet deep — линии метро: от 9 до 15 м глубины; Piers — причалы; Sewer mains: typically 3 to 15 feet deep — канализационные магистрали в основном, на глубине 0,9 м до 4,5 м; 63rd street tunnel — туннель 63 улицы; Glacial deposits — ледниковые отложения; Upper bedrock layer — верхний слой твердых пород; Old water tunnel— старый водопроводный туннель; Uptake shaft — вертикальная шахта; Lower bedrock layer — нижний слой твердых пород; 3rd water tunnel — городской туннель 3. Фото: www.constructionequipmentguide.com/the-mother-of-all-dirtyjobs-sandhogs-burrow-…

Отличительной особенностью работ по проходке туннеля 2 явилось применение при проходке шахт замораживания слабых водонасыщенных грунтов вместо кессонного метода.

Городской туннель 3 начал строиться в далеком 1970 г. (рис. 14). Он предназначен не для полной замены туннелей 2 и 3, но увеличит надежность общей системы и улучшит водоснабжение внешних районов города. После завершения в 2020 г. туннель 3 будет иметь длину 100,5 км с возможностью доставки воды в объеме 3,8 млн м3 /сут. Он располагается на глубине от 61,0 м до 244,0 м, параллельно существующим туннелям 1 и 2, и будет служить для подачи воды от резервуаров Хиллвью и соседнего с ним Кенсико в четыре из пяти районов Нью-Йорка (кроме СтейтенАйленда). Общая стоимость строительства составит 6 млрд долларов.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 13. Сечение туннеля 2. Фото: www.theverge. com/2013/10/19/4853636/underground-with-manhattans-new-water-…

Ввод туннеля в эксплуатацию позволит начать ремонтные работы в старых туннелях 1 и 2. Если какой-либо из них испытает серьезную аварию и утечку воды, он выйдет из строя и потребует весьма значительного времени для ремонта. Это приведет к разрушительным последствиям в социальной, экономической и политической сферах.

Проект состоит из четырех стадий:

Стадия 1. Участок туннеля, который считается этой стадией, имеет длину 20,8 км от резервуара Хиллвью до резервуара Центрального парка, круглое сечение с диаметром 6,1 до 7,3 м (рис. 15) и расположен на глубине 135,0–240,0 м. Четырнадцать вертикальных шахт, из которых проходился туннель, используются для подачи воды к городским сетям. В стадию 1 входят три подземные вентильные (запорные) камеры для контроля расхода и давления воды (в парке ВанКортланд в Бронксе, на острове Рузвельта в реке ИстРивер и в Центральном парке в Манхэттене).

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 14. Схема стадий строительства городского туннеля 3. Фото: www.pinterest.com/pin/120119515038869028/

Наибольшая из вентильных камер в парке Ван-Кортленд (рис. 16) имеет длину 186,0 м, ширину 13,0 м, высоту 12,5 м и она расположена на глубине 76,0 м. Вентильный комплекс также содержит 9 вертикальных шахт, 2 распределительные магистрали, каждая около 170 мдлиной и 7,2 м в диаметре, и 34 подсобных туннеля по 30,0 м длиной каждый. Некоторые из шахт проводились не обычным буровзрывным способом с поверхности, а комбинированным: снизу вверх с уровня камеры до поверхности бурилась скважина диаметром 0,3 м в диаметре, расширяемая затем до нужного диаметра шахты. Отбитая при этом порода грузилась на конвейер на уровне вентильной камеры.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 15. Сечение городского туннеля 3 на стадии 1. Фото: www.google. com/search?q=nyc+water+tunnel+3+stage+1&source=lnms&tbm=isch&sa.

Стадия 2 состоит из двух отдельных туннелей, строительство которых началось в 1993 г. и закончилось в 2006 г. Бруклинский туннель имеет длину 8,9 км и служит для подачи воды от резервуара Центрального парка к районам Квинс и Бруклин, а также для связи с подземным водохранилищем в районе Стейтен-Айленда. Диаметр туннеля 6,1 м в Квинсе и 4,9 м в Бруклине. Туннель в Манхэттене имеет длину 14,0 км и диаметр 3,0 м. Он проходился с помощью буровой туннельной машины (рис. 17) и с использованием десяти вертикальных шахт. Работы на этой стадии были завершены к концу 2013 г. Применение машин сокращает число рабочих, создает гладкую поверхность стен, уменьшая стоимость бетонной крепи, снижает уровень шума на поверхности по сравнению со взрывными работами, что важно в городских условиях.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 16. Вентильная камера в парке Ван-Кортленд. Фото: http://flatrock. org.nz/topics/environment/new_york_city_water_tunnel_no_3.htm

Стадия 3 — это участок туннеля длиной 25,7 км, диаметром 7,3 м (рис. 18), который расположен параллельно Катскильскому и Делаверскому акведукам. Он будет проведен от резервуара Кенсико и свяжется с туннелем стадии 1 в вентильной камере парка Ван-Кортланд в Бронксе. Стадия 3 даст возможность обеспечить дополнительную подачу воды и служить в качестве резерва для аварийных случаев. От вентильной камеры вода может быть подана к туннелю 3 или к резервуару Хиллвью для доставки к туннелям 1 и 2.

Стадия 4. На этой стадии вода будет поступать в туннель из резервуара Хиллвью и доставляться к восточным частям Бронкса и Квинса. Будет сооружен 22,5-километровый участок туннеля.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 17. Работа буровой туннельной машины в стадии 2 туннеля 3. Фото: http://flatrock.org.nz/topics/environment/new_york_city_water_tunnel_no_3.htm

Сегодня состояние дел со строительством туннеля 3 таково. Бывший мэр Нью-Йорка Майкл Блумберг считал, что завершение строительства туннеля 3 —настоятельная задача для города. Он обратился к дюжине экспертных агентств по чрезвычайным ситуациям с просьбой дать рейтинговую оценку опасностям, угрожающим городу, включая террористическую угрозу и природные катаклизмы. Все они ответили, что самая реальная опасность — обрушение двух старых водопроводных туннелей 1 и 2. Эти туннели не прекращали работу для осмотра и ремонта со времени их запуска: туннель 1 — с 1917 г., туннель 2 — с 1936 г. В 1954 г. была сделана попытка временно закрыть старейший из них, но из-за увеличения нагрузки начали выходить из строя гигантские задвижки в вентильной камере у Центрального парка. Поэтому эксперименты были прекращены.

Нынешний мэр Билл де Блазио отложил работы по завершению туннеля 3 (правда, потом под давлением общественного мнения возобновил финансирование) и теперь сдача его в эксплуатацию назначена на 2021 г.

Как обеспечить водой огромный город? Водоснабжение мегаполиса на примере Нью-Йорка

Рис. 18. Сечение на стадии 3 городского туннеля 3. Фото: www.theverge. com/2013/10/19/4853636/underground-with-manhattans-new-water-…

ЛИТЕРАТУРА

1. A Tunnel 60 Miles Long. New York City Water Tunnel Number 3. http://flatrock.org.nz/topics/environment/new_ york_city_water_tunnel_no_3.htm.

2. Construction of the Delaware Aqueduct in Pictures. http://www.nyc.gov/html/dep/html/news/delaware_ aqueduct_construction_slideshow.shtml.

3. D’Orazio, D. Eight miles of water: underground with Manhattan’s new aquatic lifeline. October 19, 2013. https://www.theverge.com/2013/10/19/4853636/ underground-with-manhattans-new-water-tunnel-threephoto-essay.

4. Dwyer, D. De Blasio Postpones Work on Crucial Water Tunnel. The New York Times. April 5, 2016. https:// www.nytimes.com/2016/04/06/nyregion/de-blasiopostpones-work-on-crucial-water-tunnel.html.

5. History of New York City’s Water Supply System. http://www.nyc.gov/html/dep/html/drinking_water/history. shtml.

6. New York City Tunnel No. 3. https://www.watertechnology.net/projects/new-york-tunnel-3/

7. New York City Water Tunnel No. 3. .https:// groundfreezing.com/projects/new-york-city-water-tunnelno-3.

8. Rush, J. A Look at New York’s City Tunnel No. 3. https://tunnelingonline.com/look-newyorks-city-tunnel-3.

9. Salazar, C. How New York City gets its water, from reservoir to tap: NYCurious, April 18, 2018. https://www. amny.com/lifestyle/how-nyc-gets-its-water-1.9205765.

10. Stabile, T. NYC Water Tunnel Work Gets Ready to Alter Flow, July 14, 2016. https://www.enr.com/ articles/39869-nyc-water-tunnel-work-gets-ready-toalter-flow.

11. Vintinner, E. Thirsty Metropolis: A Case Study of New York. City’s Drinking Water. Columbia University; New York, NY. email evintinner@amnh.org.

12. Watershed Management for Potable Water Supply: Assessing the New York City Strategy (2000). Executive Summare. https://www.nap.edu/read/9677/chapter/2.

13. Water on the Brain. April 8, 2016. https:// businessfacilities.com/2016/04/water-on-the-brain/. New York City Water Tunnel No. 3. https://alchetron.com/NewYork-City-Water-Tunnel-No.-3.

14. Сапиенца, B. Отчет о снабжении питьевой водой и ее качестве в г. Нью-Йорке за 2017 г. http://www. nyc.gov/html/dep/pdf/wsstate17-ru.pdf.

Статья была опубликована в августовском номере журнала «Наука и техника» за 2018 год

Смотрите также

Как создавалась электротехническая сталь

Как создавалась электротехническая сталь

Появление и развитие электротехники постоянного и переменного токов сформировали определенные требования к магнитным материалам. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насыщения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. В самом начале прошлого века был достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических материалов. Об этом и об истории создания электротехнических сталей пойдет речь в этой статье.

ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЕВЫЕ СПЛАВЫ РОБЕРТА ГАДФИЛДА

В 1889 г. Роберт Аббот Гадфилд, владелец сталелитейного завода в Шеффилде, Англия, изобревший в 1882 г. высокомарганцовистую сталь, обладающую повышенной износоустойчивостью и высокой пластичностью (сталь Гадфилда), изучал свойства сплавов железа с кремнием, которые были изготовлены в разных пропорциях их компонентов. Целью этих экспериментов было желание продвинуть исследования по применению марганца в сталях. Однако результаты этих опытов оказались непродуктивными для стали Гадфилда.

Как создавалась электротехническая сталь

Роберт Аббот Гадфилд

В 1899 г. английский ученый сэр Вильям Баррет исследовал железо-кремниевые сплавы, ранее изготовленные Гадфилдом, и обнаружил, что они имеют улучшенные магнитные характеристики по отношению к низкоуглеродистой стали. Статья по этому вопросу В. Баррета, В. Брауна и Р. Гадфилда была в 1900 г. опубликована в трудах Дублинского королевского общества. Они отметили, что введение до 2,5 % кремния значительно повышает магнитную проницаемость материала; коэрцитивная сила такого сплава составляет примерно половину коэрцитивной силы стандартного железа, применявшегося ранее для сердечников трансформаторов. Образцы сплавов и результаты своих измерений они передали в Германию на завод Круппа для выяснения возможностей практического применения. От Круппа эти образцы получил немецкий ученый Эрнст Гумлих, профессор Имперского физико-технического института в Берлине, который в 1902 г. проверил результаты английских исследователей и дополнил их своими.

Гумлих обратил внимание на высокое электрическое сопротивление сплава железа с кремнием и первым высказал предположение о положительном влиянии этого явления на снижение потерь от вихревых токов в электротехническом железе. Гумлих не ограничился своими исследованиями, а довел свою идею до промышленной реализации. Фирмой «Капито и Клайн» были выплавлены партии динамного и трансформаторного железа. (Динамомашина — старое название электрогенератора постоянного тока). Затем была проведена горячая прокатка этих заготовок в листы. Первая промышленная партия электротехнического железа с добавкой кремния была выпущена в 1905 г.

В промышленности США железо-кремнистый сплав применялся также с 1905 г., в Англии — с 1906 г. Потерив этом электротехническом железе с добавками кремния составляли 2,2–4,4 Вт/кг при толщине листа 0,36 мм, максимальной индукции Вm = 10 000 Гс1 и частоте 60 Гц. Таким образом, величина потерь была в среднем в два раза меньше, чем у ранее применявшегося железа.

1 Гс (русское обозначение; международное — G) — Гáусс — единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

Исследования, выполненные в 1905–1915 гг. учеными Германии, Англии, США (Гумлих, Аллен, Ллойд и др.), показали:

  • в железе, не содержащем кремний, со временем увеличиваются ваттные потери; добавление кремния практически полностью устраняет явление магнитного старения железа;
  • отрицательное действие кремния на магнитные свойства железокремнистого сплава сводится к снижению магнитной индукции насыщения;
  • с повышением содержания кремния резко возрастают твердость и хрупкость железо-кремнистого сплава, вследствие чего в технике стали применять эти сплавы с содержанием кремния не выше 5 %.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО ВИМЗ

До Первой мировой войны листовое железо для русских электротехнических заводов поставлялось из-за границы, преимущественно из Германии. Лишь небольшая часть динамного железа поставлялась фирмой «Гута Банкова», находящейся в Домбровском районе Царства Польского. Поэтому уже с осени 1914 г. ВерхИсетский металлургический завод (ВИМЗ) на Урале начал интенсивно заниматься освоением производства динамного и трансформаторного железа.

Как создавалась электротехническая сталь

Общий вид Верх-Исетского металлургического завода

Технология изготовления динамного железа включала в себя горячую прокатку выплавленных в мартеновской печи слитков весом 0,5–1 т на полосы, разрезаемые на сутунки весом от 7 до 30 кг, и прокатку сутунок в горячем состоянии на листы различной толщины. Следует отметить, что жесткость станин двухвалковых станов при плотном нажиме валков обеспечивает минимальную толщину проката 3–2,5 мм. При толщине проката менее 2 мм вытяжка металла прекращается вследствие упругой деформации станин и других деталей стана. Поэтому для получения более тонких листов несколько сутунок накладывали друг на друга, в связи с чем увеличивалась толщина раската (пакета) и обеспечивалась возможность его дальнейшей эффективной вытяжки. При этом и слитки, и пакеты сутунок подогревались до определенных температур. Затем прокатанные в пакете листы отделяли друг от друга, правили в холодном состоянии, отжигали, сортировали и контролировали их качество.

При прокатке кремнистого железа в тонкие листы неизбежно их сильное остывание и получение связанного с холодной деформацией наклепа, создающего внутренние напряжения в металле, а последние во много раз повышают магнитные потери. Отжиг снимает эти внутренние напряжения. Вот почему отжиг является важной операцией в производстве электротехнического железа.

На ВИМЗ к новому производству отнеслись серьезно: велись тщательные исследования получаемого железа, для чего были созданы магнитная и металлографическая лаборатории. Всего в 1915–1917 гг. ВИМЗ было изготовлено360 тыс. пудов динамного железа (содержание кремния до 3 %) с толщиной листов 0, 5 мм.

Содержание кремния в этом динамном железе колебалось от 0,6 до 0,8 %, а общее количество примесей было около 0,4 %, исключая кремний. В январе 1916 г. электротехнический отдел Военно-промышленного комитета России утвердил Временные технические условия на производство динамного и трансформаторного железа. В отношении листового железа для динамомашин из этих технических условий следовало: «Величина потерь при Вm = 10 000 Гс, частоте 50 периодов в секунду и синусной кривой приложенного напряжения не должна превосходить 3,5 Вт/кг при толщине листа 0,5 мм и 2,8 Вт/кг — при толщине листа 0,3 мм. 65,8 % изготовленного листового динамного железа удовлетворяло требованиям этих временных технических условий. Прокатка листов железа производилась только в одном направлении, благодаря чему была обнаружена заметная разница в магнитных свойствах железа вдоль прокатки и поперек.

По своим свойствам динамное железо было не хуже соответствующих марок заграничного динамного железа. Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Освоение производства трансформаторного железа (содержание кремния до 4,5 %) на ВИМЗ продвигалось с большими трудностями, хотя сначала казалось, что нужно только в технологии изготовления динамного железа изменить мартеновский процесс для обеспечения химического состава металла и параметры отжигаготовых листов. Осенью 1916 г. при прокатке опытной плавки трансформаторного железа листы большей частью рвались, а те, что были целыми, ломались при первом изгибе, что совершенно неприемлемо с точки зрения механических требований, предъявляемых к этому железу. Все-таки в марте 1917 г. были получены образцы трансформаторного железа, удовлетворяющие Временным техническим условиям (потери при Вm = 10 000 Гс не должны превосходить 1,6 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм).

В это же время инженер Ф. Власов, занимавшийся на ВИМЗ внедрением в производство трансформаторного железа, был командирован в США. Исследуя взятые туда шлифы трансформаторного железа с содержанием кремния 3,8 %, он пришел к выводу о наличии в них немагнитных включений, уменьшающих полезное сечение железа и, следовательно, увеличивающих потери. Влияние это возрастало с увеличением содержания кремния. Для уменьшения потерь необходимо полное удаление немагнитных включений и связанной с ними закиси железа FeO. Удаление этой закиси из мартеновского процесса невозможно. Последовал вывод: необходимо для уменьшения потерь в трансформаторном железе использовать для него металл, выплавленный в электрической печи, в которой можно обеспечить низкое содержание закиси железа в этом металле.

Наконец в 1918 г. производство на ВИМЗ вообще остановилось. Всего на заводе за период с 1916 по 1918 гг. было произведено 6 000 пудов трансформаторного железа.

Позднее, в 1921 г., 8-й Всероссийский электротехнический съезд обратил внимание на то, что сплав железа с кремнием является сталью. Вследствие этого динамное железо стали называть динамной сталью, а трансформаторное – трансформаторной сталью. Тот же съезд утвердил «Технические условия для листовой электротехнической стали», разработанные Центральным электротехническим советом. Соответствующие значения магнитных потерь были ограничены величиной 3,3 Вт/кг для динамной стали толщиной 0,5 мм, и 1,6 Вт/кг — для трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В дальнейшем эти нормы несколько облегчили: значения магнитных потерь для динамной и трансформаторной стали снизили, соответственно, до 3,5 и 1,7 Вт/кг.

Остро встал вопрос о производстве электротехнических сталей в советское время. Опытные работы по восстановлению производства динамной стали на ВИМЗ начались в конце 1923 г., а в феврале 1924 г. была изготовлена первая партия этой стали. В 1927 г. на этом заводе был введен в эксплуатацию новый цех по производству динамной стали, обеспечивший покрытие потребления страны в этой продукции.

В 1928 г. на ВИМЗ была предпринята попытка освоить производство трансформаторной стали в мартеновских печах, а в июле1929 г. на этом же заводе ввели в эксплуатацию электропечь, купленную за границей, предназначенную для выплавки такой же стали. Первые партии трансформаторной стали не отличались высокими свойствами: и мартеновский, и электропечной металлы имели средние магнитные потери около 1,7 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм. Постепенно качество электропечного металла улучшалось, и доля его в производстве возрастала. В 1931 г. всю трансформаторную сталь отливали только в электропечах. Работами по освоению производства трансформаторной стали, на ВИМЗ руководил известный ученый-металловед, профессор Уральского политехнического института Сергей Самойлович Штейнберг (член-корреспондент АН СССР с 1939 г.), разработавший рациональный метод ее отжига, эффективно улучшающий магнитные свойства этой стали.

Как создавалась электротехническая сталь

Сергей Самойлович Штейнберг

Причиной неудачи выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах, были неправильные представления о ее основах. Считалось, что главные условия, обеспечивающие высокий уровень магнитных свойств мартеновской стали, состоят в следующем: как можно более низкая температура металла при разливке для создания мелкой кристаллической структуры слитков; недопущение контакта шлака с металлом во время выпуска металла из печи и его разливки.

Для надежного отделения шлака металл один или даже два раза переливали из ковша в ковш перед разливкой. Ведение плавки на низком температурном режиме не обеспечивало удаление из металла примесей, а переливание металла из ковша в ковш зачастую приводило к авариям при разливке и большим потерям металла. И только в 1951–1952 гг. была разработана усовершенствованная технология выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах с высокой температурой нагрева металла, с применением легирования стали алюминием и обессериванием металла в ковше. Это обеспечило значительное улучшение свойств трансформаторной мартеновской стали.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО МАРКИ «АРМКО»

Параллельно с развитием кремнистых электротехнических сталей требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели в 1909 г. к разработке американской фирмой American Rolling Mill Corporation (Мидлтаун, штат Огайо) технически чистого железа марки «армко» (сокращенное название фирмыизготовителя), получаемого в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание примесей в этом железе около 0,16 %.

Как создавалась электротехническая сталь

Железо марки «армко»

Железо марки «армко» устойчиво против коррозии, хорошо сваривается, чрезвычайно пластично (поддается штамповке и глубокой вытяжке при комнатной температуре), отличается большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Однако оно имеет малое удельное электрическое сопротивление и обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем его использование ограничено применениемв электротехнических изделиях, работающих в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях (магнитопроводы реле, сердечники электромагнитов).

В Европе первая плавка технически чистого железа марки «армко» была проведена в Германии фирмой Thyssen-Krupp Steel в 1927 г.

В СССР производство технически чистого железа марки «армко» после ряда исследований было налажено в 1933 г. на московском металлургическом заводе «Серп и молот», ставшем с этого времени его основным поставщиком.

В 1926 г. в СССР на Мотовилихинском заводе (г. Пермь) был разработан способ производства в электрических и мартеновских печах технически чистого железа, получившего название «ВИТ-железо» в честь предложившего и поставившего данное производство инженера Всеволода Ивановича Тыжнова (ВИТ). Производят это железо при помощи скрап-процесса, представляющего собой разновидность процесса выплавки стали, при котором основной составляющей частью (60–70 %) металлической шихты является стальной лом (скрап), остальное – главным образом чугун. По своему составу ВИТ-железо близко к железу марки «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Следует отметить, что углеродистую сталь легируют для придания ей магнитных свойств не только кремнием. Добавление нескольких процентов вольфрама или кобальта к углеродистой стали увеличило в несколько раз коэрцитивную силу и остаточный магнетизм, создав новый материал для постоянных магнитов.

Как создавалась электротехническая сталь

Всеволод Иванович Тыжнов

ТЕКСТУРОВАННАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СТАЛЬ НОРМАНА ГОССА

В 1933 г. Норману П. Госсу, исследователю и изобретателю из Кливленда, штат Огайо, США, удалось путем двукратной холодной прокатки и термообработки получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3–3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. На эту технологию им был получен патент США № 1965559 «Электротехническая листовая сталь, способ и оборудование для ее производства и испытания» (заявка — 1933 г., опубликовано — 1934 г., автор Н. П. Госс, патентообладатель — фирма Сold Metal Process Co). Согласно этому патенту, процесс изготовления состоял из отжига горячекатаного материала при температуре 900 ºС, холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, вторичного отжига при 900 ºС, повторной холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, отжига сначала при 1 100 ºС, а затем — при 700 ºС для уменьшения старения. Максимальная магнитная проницаемость μm в первых образцах этой стали была равна 15 000 Гс/Э, что в 1,5–2 раза выше проницаемости лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали. Ваттные потери имеют, соответственно, меньшую величину.

В 1937 г. американский ученый Вильямс (Williams H. J.) в результате лабораторных исследований доказал, что высокие магнитные характеристики стали, полученной Госсом, объясняются наличием в ней направленного расположения кристаллитов – зерен (текстуры), полученного при определенных режимах холодной прокатки и термообработки В холоднокатаной стали Госса направление легкого намагничивания и наименьшей коэрцитивной силы в ее элементарной ячейке (ребро объемно-центрированного куба кристаллической решетки ) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания находится под углом 55º к направлению прокатки, а ось направления среднего намагничивания — под углом 90º к направлению прокатки. Последние два направления лежат в поперечной плоскости куба. Такая текстура получила название «ребровая текстура» или «госсовская текстура» (рис. 1, а).

После публикации сообщения Госса о его работе были предложены многие методы получения текстурованных сталей холодной прокаткой и отжигом. Сам Госс в 1937 г. изготавливал материал с хорошими свойствами, применяя прокатку при температуре приблизительно 800 ºС, отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при 1 100 . В 1938 г. ºС. Хименц применял при прокатке последовательные понижения температур, заканчивая процесс холодной прокаткой. Полученный материал затем отжигался при температуре 1 250 ºС. В 1941 г. Карпентер обезуглероживал сплав перед холодной прокаткой отжигом горячекатаных листов с неудаленной окалиной и заканчивал процесс отжигом при температуре 800 ºС в регулируемой атмосфере для предотвращения загрязнения. В результате всех этих исследований было выявлено, что наилучший результат получается при комбинировании текстурирования материала и очистки его на различных стадиях изготовления — от выплавки до последнего отжига.

Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоенов 1940–1945 гг. сначала в США, а затем в европейских странах.

Как создавалась электротехническая сталь

Норман П. Госс

В СССР важные исследования по разработке технологии производства холоднокатаной трансформаторной стали были выполнены Центральной заводской лабораторией ВИМЗ и Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) в течение 1944–1945 гг. Несмотря на то, что производство холоднокатаной трансформаторной стали в США осуществлялось с 1942 г., опубликованных данных о ее свойствах и технологии производства не было. Поэтому разработка и освоение производства этой стали в СССР базировались в основном на данных отечественных исследований. После удачных лабораторных экспериментов ВИМЗ изготовил первую в СССР партию холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм, удельные потери в которой при Вm = 10 000 Гс и частоте 50 периодов в секунду приложенного напряжения были равны 0,79 Вт/кг.

Производство холоднокатаной трансформаторной стали впервые в Советском Союзе было организовано на Ленинградском сталепрокатном заводе в 1947 г. (лента толщиной 0,08 мм), затем в 1949 г. на Новосибирском металлургическом заводе (листы толщиной 0,35 и 0,50 мм). В дальнейшем производство холоднокатаной трансформаторной стали было освоено на заводе «Электросталь» (Москва) с термической обработкой в протяжных печах в атмосфере электролитического водорода, на заводе «Запорожсталь» и на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Трансформаторная сталь с ребровой текстурой изготавливается под различными заводскими и фирменными названиями (в США — грайн-ориентид, электрикал стил, М и др.; в СССР — ХВП, ХТ18, ЭЗ10, ЭЗ20, ЭЗ30, Э330А; в Англии — юнисил, алфасил; в ФРГ — гиперм), однако химический состав этих сталей во всех странах почти одинаков (содержание кремния 2,8–3,5 %, остальное — железо и примеси). Различие в магнитных свойствах объясняется степенью совершенства текстуры, содержанием вредных примесей и особенностями режимов холодной прокатки и термической обработки.

Снижение вредных примесей (обезуглероживание до 0,005 %С), совершенствование режимов выплавки, холодной прокатки и термической обработки, улучшение качества поверхности позволили к концу 50-х гг. прошлого столетия повысить максимальную магнитную проницаемость промышленной трансформаторной стали с ребровой текстурой до 50 000–60 000 Гс/Э, а потери на гистерезис при В = 15 000 Гс снизить до 0,4 Вт/кг при частоте 50 Гц. Анизотропия потерь энергии стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90º к потерям под углом 0º по направлению прокатки) равна примерно 2,5–3,0.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 1. Расположение кристаллитов: а) ребровая текстура, б) кубическая текстура

Наряду с высокими магнитными свойствами текстурованные стали имеют низкий коэффициент старения (0–3 %), высокую пластичность, высокий коэффициент заполнения и высокое качество поверхности. Поверхность текстурованной трансформаторной стали, как правило, имеет высокие электроизоляционные и антикоррозийные свойства, получаемые путем специальной обработки.

Следует отметить, что применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направлении прокатки. Выполнение поставленного условия возможно в результате применения ленточных сердечников (рис. 2, где а, б — сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники).

Применение текстурованных сталей позволяет в мощных трансформаторах уменьшить потери энергии на 20–30 %, стоимость трансформаторов — на 5 %, вес — на 10 %, расход стали — на 20 %. Для трансформаторов малой мощности выигрыш в весе еще более значителен.

Важным для электромашиностроительных заводов (потребителей) также является изготовление электротехнических сталей в виде ленты, смотанной в рулоны, что позволяет механизировать и автоматизировать поточное производство на этих заводах, а также у изготовителя — на металлургических заводах. Поэтому, начиная с 1940– 1948 гг., стала широко применяться холодная рулонная прокатка электротехнической стали в виде ленты на непрерывных или реверсивных станах.

Как создавалась электротехническая сталь

Рулоны электротехнической стали

Создание и промышленное освоение в 30-х — 50-х гг. прошлого столетия холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой было выдающимся достижением в области разработки магнитомягких материалов, однако расширение области ее применения и увеличение количества ее марок выявили некоторые, не всегда положительные, особенности ее использования, а именно:

— высокие магнитные свойства холоднокатаной стали с ребровой текстурой получаются только вдоль направления прокатки, в то время как для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора необходимо, чтобы анизотропия магнитных свойств была минимальна, так как выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки в этом случае достаточно трудно;

— магнитные свойства трансформаторной стали, имеющей ребровую текстуру, сильно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15–0,10 мм и меньше.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 2. Ленточные сердечники

В свете указанных причин усилия исследователей были направлены на создание холоднокатаной стали, имеющей одинаково высокие магнитные свойства как вдоль направления прокатки, так и поперек его, при этом не теряющей свои магнитные характеристики при уменьшении толщины холоднокатаной ленты до 0,1 мм и меньше. И такая изотропная сталь была создана.

ИЗОТРОПНАЯ ХОЛОДНОКАТАНАЯ СТАЛЬ ФРИЦА АССМУСА

В 1956 г. немецкий исследователь Фриц Ассмус и его сотрудники по работе в фирме «Вакуумшмельце» (г. Ханау, земля Гессен) провели лабораторные исследования, в результате которых была получена сталь в виде ленты толщиной 0,04 мм с достаточно высокими магнитными свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки. Полученный эффект в этой стали был достигнут за счет того, что в ней была сформирована кубическая текстура металла. При такой текстуре вдоль и поперек направления прокатки ориентируются ребра объемноцентрированного куба кристаллической решетки (направления легкого намагничивания в ее элементарной ячейке) (рис.1, б). В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки.

Во время этих лабораторных исследований сверхтонкая электротехническая лента с кубической текстурой была получена способом многократной холодной прокатки с обжатием 50–60 % с конечным обжигом в атомарном сухом водороде при температуре 1 100–1 300 ºС с применением газопоглотителей и катализаторов.

В конце 1957 г. в США одновременно две фирмы — «Дженерал электрик» и «Вестингауз электрик» — получили первые ленты толщиной 0,31 и 0,02–0,03 мм, имевшие кубические текстуры и высокие магнитные свойства.

В 1958–1960 гг. в СССР, в ЦНИИЧМ и Уральском НИИЧМ, также проводились эксперименты с целью получения стали с кубической текстурой. В результате была предложена сталь марки ЗСТА с высокой магнитной проницаемостью (μ0 = 3000–4000 Гс/Э; μm = 30 000– 40 000 Гс/Э) и низкой коэрцитивной силой (Нс = 0,08 Э) как вдоль, так и поперек направления прокатки при толщине ленты 0,05–0,10 мм.

Как создавалась электротехническая сталь

Следует отметить, что в конце 50-х гг. прошлого столетия в мировой практике отсутствовала надежная технология промышленного производства трансформаторной стали с кубической текстурой в виде ленты — ее еще предстояло создать.

ЭПИЛОГ

Таким образом, в первой половине прошлого столетия были созданы и освоены в промышленном производстве электротехнические стали, обладающие высокими магнитными, электрическими и механическими свойствами. Впереди был долгий и успешный путь усовершенствования, направленный на повышение качества этих сталей путем уменьшения в них вредных примесей, разработки и использования оптимальных режимов прокатки и термической обработки, но это — тема уже другой статьи.

Статья была опубликована в апрельском номере журнала «Наука и техника» за 2018 год

Как создавалась электротехническая сталь

Появление и развитие электротехники постоянного и переменного токов сформировали определенные требования к магнитным материалам. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насыщения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. В самом начале прошлого века был достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических материалов. Об этом и об истории создания электротехнических сталей пойдет речь в этой статье.

ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЕВЫЕ СПЛАВЫ РОБЕРТА ГАДФИЛДА

В 1889 г. Роберт Аббот Гадфилд, владелец сталелитейного завода в Шеффилде, Англия, изобревший в 1882 г. высокомарганцовистую сталь, обладающую повышенной износоустойчивостью и высокой пластичностью (сталь Гадфилда), изучал свойства сплавов железа с кремнием, которые были изготовлены в разных пропорциях их компонентов. Целью этих экспериментов было желание продвинуть исследования по применению марганца в сталях. Однако результаты этих опытов оказались непродуктивными для стали Гадфилда.

Как создавалась электротехническая сталь

Роберт Аббот Гадфилд

В 1899 г. английский ученый сэр Вильям Баррет исследовал железо-кремниевые сплавы, ранее изготовленные Гадфилдом, и обнаружил, что они имеют улучшенные магнитные характеристики по отношению к низкоуглеродистой стали. Статья по этому вопросу В. Баррета, В. Брауна и Р. Гадфилда была в 1900 г. опубликована в трудах Дублинского королевского общества. Они отметили, что введение до 2,5 % кремния значительно повышает магнитную проницаемость материала; коэрцитивная сила такого сплава составляет примерно половину коэрцитивной силы стандартного железа, применявшегося ранее для сердечников трансформаторов. Образцы сплавов и результаты своих измерений они передали в Германию на завод Круппа для выяснения возможностей практического применения. От Круппа эти образцы получил немецкий ученый Эрнст Гумлих, профессор Имперского физико-технического института в Берлине, который в 1902 г. проверил результаты английских исследователей и дополнил их своими.

Гумлих обратил внимание на высокое электрическое сопротивление сплава железа с кремнием и первым высказал предположение о положительном влиянии этого явления на снижение потерь от вихревых токов в электротехническом железе. Гумлих не ограничился своими исследованиями, а довел свою идею до промышленной реализации. Фирмой «Капито и Клайн» были выплавлены партии динамного и трансформаторного железа. (Динамомашина — старое название электрогенератора постоянного тока). Затем была проведена горячая прокатка этих заготовок в листы. Первая промышленная партия электротехнического железа с добавкой кремния была выпущена в 1905 г.

В промышленности США железо-кремнистый сплав применялся также с 1905 г., в Англии — с 1906 г. Потерив этом электротехническом железе с добавками кремния составляли 2,2–4,4 Вт/кг при толщине листа 0,36 мм, максимальной индукции Вm = 10 000 Гс1 и частоте 60 Гц. Таким образом, величина потерь была в среднем в два раза меньше, чем у ранее применявшегося железа.

1 Гс (русское обозначение; международное — G) — Гáусс — единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

Исследования, выполненные в 1905–1915 гг. учеными Германии, Англии, США (Гумлих, Аллен, Ллойд и др.), показали:

  • в железе, не содержащем кремний, со временем увеличиваются ваттные потери; добавление кремния практически полностью устраняет явление магнитного старения железа;
  • отрицательное действие кремния на магнитные свойства железокремнистого сплава сводится к снижению магнитной индукции насыщения;
  • с повышением содержания кремния резко возрастают твердость и хрупкость железо-кремнистого сплава, вследствие чего в технике стали применять эти сплавы с содержанием кремния не выше 5 %.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО ВИМЗ

До Первой мировой войны листовое железо для русских электротехнических заводов поставлялось из-за границы, преимущественно из Германии. Лишь небольшая часть динамного железа поставлялась фирмой «Гута Банкова», находящейся в Домбровском районе Царства Польского. Поэтому уже с осени 1914 г. ВерхИсетский металлургический завод (ВИМЗ) на Урале начал интенсивно заниматься освоением производства динамного и трансформаторного железа.

Как создавалась электротехническая сталь

Общий вид Верх-Исетского металлургического завода

Технология изготовления динамного железа включала в себя горячую прокатку выплавленных в мартеновской печи слитков весом 0,5–1 т на полосы, разрезаемые на сутунки весом от 7 до 30 кг, и прокатку сутунок в горячем состоянии на листы различной толщины. Следует отметить, что жесткость станин двухвалковых станов при плотном нажиме валков обеспечивает минимальную толщину проката 3–2,5 мм. При толщине проката менее 2 мм вытяжка металла прекращается вследствие упругой деформации станин и других деталей стана. Поэтому для получения более тонких листов несколько сутунок накладывали друг на друга, в связи с чем увеличивалась толщина раската (пакета) и обеспечивалась возможность его дальнейшей эффективной вытяжки. При этом и слитки, и пакеты сутунок подогревались до определенных температур. Затем прокатанные в пакете листы отделяли друг от друга, правили в холодном состоянии, отжигали, сортировали и контролировали их качество.

При прокатке кремнистого железа в тонкие листы неизбежно их сильное остывание и получение связанного с холодной деформацией наклепа, создающего внутренние напряжения в металле, а последние во много раз повышают магнитные потери. Отжиг снимает эти внутренние напряжения. Вот почему отжиг является важной операцией в производстве электротехнического железа.

На ВИМЗ к новому производству отнеслись серьезно: велись тщательные исследования получаемого железа, для чего были созданы магнитная и металлографическая лаборатории. Всего в 1915–1917 гг. ВИМЗ было изготовлено360 тыс. пудов динамного железа (содержание кремния до 3 %) с толщиной листов 0, 5 мм.

Содержание кремния в этом динамном железе колебалось от 0,6 до 0,8 %, а общее количество примесей было около 0,4 %, исключая кремний. В январе 1916 г. электротехнический отдел Военно-промышленного комитета России утвердил Временные технические условия на производство динамного и трансформаторного железа. В отношении листового железа для динамомашин из этих технических условий следовало: «Величина потерь при Вm = 10 000 Гс, частоте 50 периодов в секунду и синусной кривой приложенного напряжения не должна превосходить 3,5 Вт/кг при толщине листа 0,5 мм и 2,8 Вт/кг — при толщине листа 0,3 мм. 65,8 % изготовленного листового динамного железа удовлетворяло требованиям этих временных технических условий. Прокатка листов железа производилась только в одном направлении, благодаря чему была обнаружена заметная разница в магнитных свойствах железа вдоль прокатки и поперек.

По своим свойствам динамное железо было не хуже соответствующих марок заграничного динамного железа. Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Освоение производства трансформаторного железа (содержание кремния до 4,5 %) на ВИМЗ продвигалось с большими трудностями, хотя сначала казалось, что нужно только в технологии изготовления динамного железа изменить мартеновский процесс для обеспечения химического состава металла и параметры отжигаготовых листов. Осенью 1916 г. при прокатке опытной плавки трансформаторного железа листы большей частью рвались, а те, что были целыми, ломались при первом изгибе, что совершенно неприемлемо с точки зрения механических требований, предъявляемых к этому железу. Все-таки в марте 1917 г. были получены образцы трансформаторного железа, удовлетворяющие Временным техническим условиям (потери при Вm = 10 000 Гс не должны превосходить 1,6 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм).

В это же время инженер Ф. Власов, занимавшийся на ВИМЗ внедрением в производство трансформаторного железа, был командирован в США. Исследуя взятые туда шлифы трансформаторного железа с содержанием кремния 3,8 %, он пришел к выводу о наличии в них немагнитных включений, уменьшающих полезное сечение железа и, следовательно, увеличивающих потери. Влияние это возрастало с увеличением содержания кремния. Для уменьшения потерь необходимо полное удаление немагнитных включений и связанной с ними закиси железа FeO. Удаление этой закиси из мартеновского процесса невозможно. Последовал вывод: необходимо для уменьшения потерь в трансформаторном железе использовать для него металл, выплавленный в электрической печи, в которой можно обеспечить низкое содержание закиси железа в этом металле.

Наконец в 1918 г. производство на ВИМЗ вообще остановилось. Всего на заводе за период с 1916 по 1918 гг. было произведено 6 000 пудов трансформаторного железа.

Позднее, в 1921 г., 8-й Всероссийский электротехнический съезд обратил внимание на то, что сплав железа с кремнием является сталью. Вследствие этого динамное железо стали называть динамной сталью, а трансформаторное – трансформаторной сталью. Тот же съезд утвердил «Технические условия для листовой электротехнической стали», разработанные Центральным электротехническим советом. Соответствующие значения магнитных потерь были ограничены величиной 3,3 Вт/кг для динамной стали толщиной 0,5 мм, и 1,6 Вт/кг — для трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В дальнейшем эти нормы несколько облегчили: значения магнитных потерь для динамной и трансформаторной стали снизили, соответственно, до 3,5 и 1,7 Вт/кг.

Остро встал вопрос о производстве электротехнических сталей в советское время. Опытные работы по восстановлению производства динамной стали на ВИМЗ начались в конце 1923 г., а в феврале 1924 г. была изготовлена первая партия этой стали. В 1927 г. на этом заводе был введен в эксплуатацию новый цех по производству динамной стали, обеспечивший покрытие потребления страны в этой продукции.

В 1928 г. на ВИМЗ была предпринята попытка освоить производство трансформаторной стали в мартеновских печах, а в июле1929 г. на этом же заводе ввели в эксплуатацию электропечь, купленную за границей, предназначенную для выплавки такой же стали. Первые партии трансформаторной стали не отличались высокими свойствами: и мартеновский, и электропечной металлы имели средние магнитные потери около 1,7 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм. Постепенно качество электропечного металла улучшалось, и доля его в производстве возрастала. В 1931 г. всю трансформаторную сталь отливали только в электропечах. Работами по освоению производства трансформаторной стали, на ВИМЗ руководил известный ученый-металловед, профессор Уральского политехнического института Сергей Самойлович Штейнберг (член-корреспондент АН СССР с 1939 г.), разработавший рациональный метод ее отжига, эффективно улучшающий магнитные свойства этой стали.

Как создавалась электротехническая сталь

Сергей Самойлович Штейнберг

Причиной неудачи выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах, были неправильные представления о ее основах. Считалось, что главные условия, обеспечивающие высокий уровень магнитных свойств мартеновской стали, состоят в следующем: как можно более низкая температура металла при разливке для создания мелкой кристаллической структуры слитков; недопущение контакта шлака с металлом во время выпуска металла из печи и его разливки.

Для надежного отделения шлака металл один или даже два раза переливали из ковша в ковш перед разливкой. Ведение плавки на низком температурном режиме не обеспечивало удаление из металла примесей, а переливание металла из ковша в ковш зачастую приводило к авариям при разливке и большим потерям металла. И только в 1951–1952 гг. была разработана усовершенствованная технология выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах с высокой температурой нагрева металла, с применением легирования стали алюминием и обессериванием металла в ковше. Это обеспечило значительное улучшение свойств трансформаторной мартеновской стали.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО МАРКИ «АРМКО»

Параллельно с развитием кремнистых электротехнических сталей требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели в 1909 г. к разработке американской фирмой American Rolling Mill Corporation (Мидлтаун, штат Огайо) технически чистого железа марки «армко» (сокращенное название фирмыизготовителя), получаемого в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание примесей в этом железе около 0,16 %.

Как создавалась электротехническая сталь

Железо марки «армко»

Железо марки «армко» устойчиво против коррозии, хорошо сваривается, чрезвычайно пластично (поддается штамповке и глубокой вытяжке при комнатной температуре), отличается большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Однако оно имеет малое удельное электрическое сопротивление и обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем его использование ограничено применениемв электротехнических изделиях, работающих в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях (магнитопроводы реле, сердечники электромагнитов).

В Европе первая плавка технически чистого железа марки «армко» была проведена в Германии фирмой Thyssen-Krupp Steel в 1927 г.

В СССР производство технически чистого железа марки «армко» после ряда исследований было налажено в 1933 г. на московском металлургическом заводе «Серп и молот», ставшем с этого времени его основным поставщиком.

В 1926 г. в СССР на Мотовилихинском заводе (г. Пермь) был разработан способ производства в электрических и мартеновских печах технически чистого железа, получившего название «ВИТ-железо» в честь предложившего и поставившего данное производство инженера Всеволода Ивановича Тыжнова (ВИТ). Производят это железо при помощи скрап-процесса, представляющего собой разновидность процесса выплавки стали, при котором основной составляющей частью (60–70 %) металлической шихты является стальной лом (скрап), остальное – главным образом чугун. По своему составу ВИТ-железо близко к железу марки «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Следует отметить, что углеродистую сталь легируют для придания ей магнитных свойств не только кремнием. Добавление нескольких процентов вольфрама или кобальта к углеродистой стали увеличило в несколько раз коэрцитивную силу и остаточный магнетизм, создав новый материал для постоянных магнитов.

Как создавалась электротехническая сталь

Всеволод Иванович Тыжнов

ТЕКСТУРОВАННАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СТАЛЬ НОРМАНА ГОССА

В 1933 г. Норману П. Госсу, исследователю и изобретателю из Кливленда, штат Огайо, США, удалось путем двукратной холодной прокатки и термообработки получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3–3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. На эту технологию им был получен патент США № 1965559 «Электротехническая листовая сталь, способ и оборудование для ее производства и испытания» (заявка — 1933 г., опубликовано — 1934 г., автор Н. П. Госс, патентообладатель — фирма Сold Metal Process Co). Согласно этому патенту, процесс изготовления состоял из отжига горячекатаного материала при температуре 900 ºС, холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, вторичного отжига при 900 ºС, повторной холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, отжига сначала при 1 100 ºС, а затем — при 700 ºС для уменьшения старения. Максимальная магнитная проницаемость μm в первых образцах этой стали была равна 15 000 Гс/Э, что в 1,5–2 раза выше проницаемости лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали. Ваттные потери имеют, соответственно, меньшую величину.

В 1937 г. американский ученый Вильямс (Williams H. J.) в результате лабораторных исследований доказал, что высокие магнитные характеристики стали, полученной Госсом, объясняются наличием в ней направленного расположения кристаллитов – зерен (текстуры), полученного при определенных режимах холодной прокатки и термообработки В холоднокатаной стали Госса направление легкого намагничивания и наименьшей коэрцитивной силы в ее элементарной ячейке (ребро объемно-центрированного куба кристаллической решетки ) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания находится под углом 55º к направлению прокатки, а ось направления среднего намагничивания — под углом 90º к направлению прокатки. Последние два направления лежат в поперечной плоскости куба. Такая текстура получила название «ребровая текстура» или «госсовская текстура» (рис. 1, а).

После публикации сообщения Госса о его работе были предложены многие методы получения текстурованных сталей холодной прокаткой и отжигом. Сам Госс в 1937 г. изготавливал материал с хорошими свойствами, применяя прокатку при температуре приблизительно 800 ºС, отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при 1 100 . В 1938 г. ºС. Хименц применял при прокатке последовательные понижения температур, заканчивая процесс холодной прокаткой. Полученный материал затем отжигался при температуре 1 250 ºС. В 1941 г. Карпентер обезуглероживал сплав перед холодной прокаткой отжигом горячекатаных листов с неудаленной окалиной и заканчивал процесс отжигом при температуре 800 ºС в регулируемой атмосфере для предотвращения загрязнения. В результате всех этих исследований было выявлено, что наилучший результат получается при комбинировании текстурирования материала и очистки его на различных стадиях изготовления — от выплавки до последнего отжига.

Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоенов 1940–1945 гг. сначала в США, а затем в европейских странах.

Как создавалась электротехническая сталь

Норман П. Госс

В СССР важные исследования по разработке технологии производства холоднокатаной трансформаторной стали были выполнены Центральной заводской лабораторией ВИМЗ и Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) в течение 1944–1945 гг. Несмотря на то, что производство холоднокатаной трансформаторной стали в США осуществлялось с 1942 г., опубликованных данных о ее свойствах и технологии производства не было. Поэтому разработка и освоение производства этой стали в СССР базировались в основном на данных отечественных исследований. После удачных лабораторных экспериментов ВИМЗ изготовил первую в СССР партию холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм, удельные потери в которой при Вm = 10 000 Гс и частоте 50 периодов в секунду приложенного напряжения были равны 0,79 Вт/кг.

Производство холоднокатаной трансформаторной стали впервые в Советском Союзе было организовано на Ленинградском сталепрокатном заводе в 1947 г. (лента толщиной 0,08 мм), затем в 1949 г. на Новосибирском металлургическом заводе (листы толщиной 0,35 и 0,50 мм). В дальнейшем производство холоднокатаной трансформаторной стали было освоено на заводе «Электросталь» (Москва) с термической обработкой в протяжных печах в атмосфере электролитического водорода, на заводе «Запорожсталь» и на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Трансформаторная сталь с ребровой текстурой изготавливается под различными заводскими и фирменными названиями (в США — грайн-ориентид, электрикал стил, М и др.; в СССР — ХВП, ХТ18, ЭЗ10, ЭЗ20, ЭЗ30, Э330А; в Англии — юнисил, алфасил; в ФРГ — гиперм), однако химический состав этих сталей во всех странах почти одинаков (содержание кремния 2,8–3,5 %, остальное — железо и примеси). Различие в магнитных свойствах объясняется степенью совершенства текстуры, содержанием вредных примесей и особенностями режимов холодной прокатки и термической обработки.

Снижение вредных примесей (обезуглероживание до 0,005 %С), совершенствование режимов выплавки, холодной прокатки и термической обработки, улучшение качества поверхности позволили к концу 50-х гг. прошлого столетия повысить максимальную магнитную проницаемость промышленной трансформаторной стали с ребровой текстурой до 50 000–60 000 Гс/Э, а потери на гистерезис при В = 15 000 Гс снизить до 0,4 Вт/кг при частоте 50 Гц. Анизотропия потерь энергии стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90º к потерям под углом 0º по направлению прокатки) равна примерно 2,5–3,0.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 1. Расположение кристаллитов: а) ребровая текстура, б) кубическая текстура

Наряду с высокими магнитными свойствами текстурованные стали имеют низкий коэффициент старения (0–3 %), высокую пластичность, высокий коэффициент заполнения и высокое качество поверхности. Поверхность текстурованной трансформаторной стали, как правило, имеет высокие электроизоляционные и антикоррозийные свойства, получаемые путем специальной обработки.

Следует отметить, что применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направлении прокатки. Выполнение поставленного условия возможно в результате применения ленточных сердечников (рис. 2, где а, б — сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники).

Применение текстурованных сталей позволяет в мощных трансформаторах уменьшить потери энергии на 20–30 %, стоимость трансформаторов — на 5 %, вес — на 10 %, расход стали — на 20 %. Для трансформаторов малой мощности выигрыш в весе еще более значителен.

Важным для электромашиностроительных заводов (потребителей) также является изготовление электротехнических сталей в виде ленты, смотанной в рулоны, что позволяет механизировать и автоматизировать поточное производство на этих заводах, а также у изготовителя — на металлургических заводах. Поэтому, начиная с 1940– 1948 гг., стала широко применяться холодная рулонная прокатка электротехнической стали в виде ленты на непрерывных или реверсивных станах.

Как создавалась электротехническая сталь

Рулоны электротехнической стали

Создание и промышленное освоение в 30-х — 50-х гг. прошлого столетия холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой было выдающимся достижением в области разработки магнитомягких материалов, однако расширение области ее применения и увеличение количества ее марок выявили некоторые, не всегда положительные, особенности ее использования, а именно:

— высокие магнитные свойства холоднокатаной стали с ребровой текстурой получаются только вдоль направления прокатки, в то время как для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора необходимо, чтобы анизотропия магнитных свойств была минимальна, так как выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки в этом случае достаточно трудно;

— магнитные свойства трансформаторной стали, имеющей ребровую текстуру, сильно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15–0,10 мм и меньше.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 2. Ленточные сердечники

В свете указанных причин усилия исследователей были направлены на создание холоднокатаной стали, имеющей одинаково высокие магнитные свойства как вдоль направления прокатки, так и поперек его, при этом не теряющей свои магнитные характеристики при уменьшении толщины холоднокатаной ленты до 0,1 мм и меньше. И такая изотропная сталь была создана.

ИЗОТРОПНАЯ ХОЛОДНОКАТАНАЯ СТАЛЬ ФРИЦА АССМУСА

В 1956 г. немецкий исследователь Фриц Ассмус и его сотрудники по работе в фирме «Вакуумшмельце» (г. Ханау, земля Гессен) провели лабораторные исследования, в результате которых была получена сталь в виде ленты толщиной 0,04 мм с достаточно высокими магнитными свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки. Полученный эффект в этой стали был достигнут за счет того, что в ней была сформирована кубическая текстура металла. При такой текстуре вдоль и поперек направления прокатки ориентируются ребра объемноцентрированного куба кристаллической решетки (направления легкого намагничивания в ее элементарной ячейке) (рис.1, б). В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки.

Во время этих лабораторных исследований сверхтонкая электротехническая лента с кубической текстурой была получена способом многократной холодной прокатки с обжатием 50–60 % с конечным обжигом в атомарном сухом водороде при температуре 1 100–1 300 ºС с применением газопоглотителей и катализаторов.

В конце 1957 г. в США одновременно две фирмы — «Дженерал электрик» и «Вестингауз электрик» — получили первые ленты толщиной 0,31 и 0,02–0,03 мм, имевшие кубические текстуры и высокие магнитные свойства.

В 1958–1960 гг. в СССР, в ЦНИИЧМ и Уральском НИИЧМ, также проводились эксперименты с целью получения стали с кубической текстурой. В результате была предложена сталь марки ЗСТА с высокой магнитной проницаемостью (μ0 = 3000–4000 Гс/Э; μm = 30 000– 40 000 Гс/Э) и низкой коэрцитивной силой (Нс = 0,08 Э) как вдоль, так и поперек направления прокатки при толщине ленты 0,05–0,10 мм.

Как создавалась электротехническая сталь

Следует отметить, что в конце 50-х гг. прошлого столетия в мировой практике отсутствовала надежная технология промышленного производства трансформаторной стали с кубической текстурой в виде ленты — ее еще предстояло создать.

ЭПИЛОГ

Таким образом, в первой половине прошлого столетия были созданы и освоены в промышленном производстве электротехнические стали, обладающие высокими магнитными, электрическими и механическими свойствами. Впереди был долгий и успешный путь усовершенствования, направленный на повышение качества этих сталей путем уменьшения в них вредных примесей, разработки и использования оптимальных режимов прокатки и термической обработки, но это — тема уже другой статьи.

Статья была опубликована в апрельском номере журнала «Наука и техника» за 2018 год

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Метод, называемый оптическим лучом, с использованием лазера для передачи энергии на портативную базовую станцию 5G продемонстрировали в новом экспериментальном проекте Ericsson и PowerLight Technologies. Беспроводная передача энергии — уже давно не миф, но диапазон является серьезным препятствием.

Система не посылает электричество напрямую, как катушка Тесла — вместо этого электричество на конце передатчика используется для создания мощного светового луча и отправки его к приемнику, который улавливает его с помощью специальной фотоэлектрической матрицы.Это, в свою очередь, преобразует входящие фотоны обратно в электричество для питания любого устройства, к которому он подключен.

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Большинство людей используют беспроводное питание для зарядки смартфонов, часов или наушников, но при этом их все же необходимо размещать на подставку.Лабораторные установки экспериментируют с более крупными системами, которые могут заряжать устройства в любом местекомнаты, но как насчет передачи электричества на большие расстояния на открытом воздухе?

PowerLight разрабатывала технологию для этого в течение многих лет, и теперь продемонстрировала это с доказательством концепции в партнерстве с телекоммуникационной компанией Ericsson.Система состоит из двух основных компонентов, передатчика и приемника, которые могут находиться на расстоянии сотни или тысячи метров друг от друга.

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Хотя технология может показаться опасной, чтобы луч высокой интенсивности проходил через открытый воздух, существуют меры безопасности.Сам луч окружен более широким «цилиндром» датчиков, которые обнаруживают приближение чего-либо и отключают луч в течение миллисекунды.Это настолько быстро, что мимолетные прерывания, такие как птицы, не повлияют на обслуживание, но на стороне приемника есть резервный аккумулятор, чтобы покрыть любые потенциальные долгосрочные сбои.

В данном случае система PowerLight питала одну из базовых радиостанций Ericsson 5G, которая не была подключена к какому-либо другому источнику питания.Система выдавала 480 Вт на расстояние 300 м, но команда утверждает, что технология уже способна передавать 1000 Вт на 1 км, с возможностью расширения.

Беспроводное питание устройств 5G может сделать их более портативными, что позволит развертывать их во временных местах с повышенным спросом, таких как фестивали или другие мероприятия, во время стихийных бедствий, когда другая инфраструктура была нарушена.

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Метод, называемый оптическим лучом, с использованием лазера для передачи энергии на портативную базовую станцию 5G продемонстрировали в новом экспериментальном проекте Ericsson и PowerLight Technologies. Беспроводная передача энергии — уже давно не миф, но диапазон является серьезным препятствием.

Система не посылает электричество напрямую, как катушка Тесла — вместо этого электричество на конце передатчика используется для создания мощного светового луча и отправки его к приемнику, который улавливает его с помощью специальной фотоэлектрической матрицы.Это, в свою очередь, преобразует входящие фотоны обратно в электричество для питания любого устройства, к которому он подключен.

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Большинство людей используют беспроводное питание для зарядки смартфонов, часов или наушников, но при этом их все же необходимо размещать на подставку.Лабораторные установки экспериментируют с более крупными системами, которые могут заряжать устройства в любом местекомнаты, но как насчет передачи электричества на большие расстояния на открытом воздухе?

PowerLight разрабатывала технологию для этого в течение многих лет, и теперь продемонстрировала это с доказательством концепции в партнерстве с телекоммуникационной компанией Ericsson.Система состоит из двух основных компонентов, передатчика и приемника, которые могут находиться на расстоянии сотни или тысячи метров друг от друга.

Беспроводная передача энергии. Лазер и 5G

Хотя технология может показаться опасной, чтобы луч высокой интенсивности проходил через открытый воздух, существуют меры безопасности.Сам луч окружен более широким «цилиндром» датчиков, которые обнаруживают приближение чего-либо и отключают луч в течение миллисекунды.Это настолько быстро, что мимолетные прерывания, такие как птицы, не повлияют на обслуживание, но на стороне приемника есть резервный аккумулятор, чтобы покрыть любые потенциальные долгосрочные сбои.

В данном случае система PowerLight питала одну из базовых радиостанций Ericsson 5G, которая не была подключена к какому-либо другому источнику питания.Система выдавала 480 Вт на расстояние 300 м, но команда утверждает, что технология уже способна передавать 1000 Вт на 1 км, с возможностью расширения.

Беспроводное питание устройств 5G может сделать их более портативными, что позволит развертывать их во временных местах с повышенным спросом, таких как фестивали или другие мероприятия, во время стихийных бедствий, когда другая инфраструктура была нарушена.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *