Электротехнологические процессы и аппараты

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

Составил: А.М. СОКОЛОВ

 

 

Иваново 2011

Литература

 

Основная

 

1. Лазерная техника и технология. Кн. 1 – Кн.7, под ред. А.Г. Григорянца, авт: В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев, А.Г. Григорянц и др. М., Высшая школа, 1987г.

2. А.В. Донской, В.С. Клубникин. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л. Машиностроение, 1979 г.

3. Основы электронно – лучевой обработки материалов. Н.Н. Рыкалин и др. М.: Машиностроение, 1975 г.

4. А.Л. Лившиц, М.Ш. Отто. Импульсная электротехника. М. Энергоатомиздат, 1983.

 

Дополнительная

 

1. Л.Л. Гольдин. Физика ускорителей. М.: Наука 1983 г.

2. процессы и установки электронно – ионной технологии. В.Ф. Попов, Ю.Н. Торин, М.: Высшая школа, 1988 г.

3. О. Звелто. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984 г.

4. Мощные газоразрядные СО₂ – лазеры и их применение в технологии. Г.А. Абильсиитов, Е.П. Белихов и др. М.: Наука, 1984 г.

5. В.Н. Вакуленко, Л.П. Иванов. Источники лазеров. М.: Сов. радио, 1980 г.

6. Ю.В. Байбородин. Основы лазерной техники. Киев, Высшая школа, 1988г

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

К низкоэнергетическим процессам и установкам относятся:

 

Ø Электротехнические установки для технологического использования электрических полей и электрических разрядов в газах для поверхностной обработки (очистки), электрография, струйные принтеры.

Ø Электрогазодинамические (электроаэрозольные) установки: электроочистка газов – электрические фильтры, электроокраска, электросепарация материалов, нанесение порошковых покрытий, электрическое воздействие на атмосферные процессы, нейтрализация статического электричества.

Ø Электрохимические технологии и установки: озонные технологии, электролиз, размерная электрохимическая обработка, гальванотехника.

Ø Электромеханические устройства для фиксации физических объектов в пространстве: стабилизация шнура ядерного реактора, магнитная подвеска.

Ø Электромеханические устройства с применением электромагнитных композиций и жидкостей: применяется для создания узлов герметизации (в космосе), для нанесения различных покрытий.

 

 

Электролизные установки

 

Сущность электролизного технологического процесса (рис.), заключается в том, что при протекании электрического постоянного тока через электролитическую ванну может иметь место одно из явлений:

· Либо происходит осаждение частиц вещества из электролита на электродах ванны (электроэкстракция)

· Либо имеет место перенос вещества с одного электрода на другой через электролит (электролитическое рафинирование)

 

В качестве электролита используется растворы солей, кислот и оснований как правило в воде.

В электролите имеет место ионная проводимость. При подаче напряжения на электроды ионы движутся к электродам, нейтрализуются и оседают на них. При этом имеет место либо электроэкстракция либо электролитическое рафинирование.

Основное значение имеет при выборе понятие нормального потенциала.

Если электрод изготовлен из такого же металла как электролит, то при некотором потенциале между электродом и электролитом нет ни первого, ни второго процесса. Такой потенциал называется нормальный.

Металл, электролит	Нормальный потенциал,В
Al N2 H Cu Ag Zn	-1.67 -2.71 0.34 0.8 -0.76

 

Если на электроды подать более отрицательный потенциал, то начинается электроэкстракция.

Если более положительный, то электролитическое рафинирование.

Электролиз применяют для получения или очистки металлов.

 

В количественном отношении электролизный процесс описывается тем же самым законом Фарадея.

U_эл=E_р+E_п+U_э+U_с

E_р - напряжение разложения

E_п – сумма анодного и катодного ПН

U_э – падение напряжения на электролите

U_с – падение напряжения на шинах контактов электродов

U_э = I∙R_вн

U_э =I∙(R_ш+R_к+R_э)

P_эл = I∙(E_p+E_п+U_э+U_с)

W = P_эл∙τ

τ – время технологического процесса

E_p – полезная работа

Эффективность электролизного процесса описывается массой вещества.

Сырьем для получения Znслужит цинковая обманка ZnS. Этот минерал сначала подвергают окислению, обжигу, а затем подвергают выщелачиванию.

ZnSO₄ + H₂O (5÷6%) Проводимость у такого раствора невысока, поэтому добавляют к этому раствору 10÷12% H₂SO₄

Электролитическая ванна выполнена из дерева или бетона и изолирована от земли.

Электролизный процесс проводится при t = 35÷40⁰C

j = 400÷600 А/м²

На катоде появляется ПН – 1,1 В (нормальный потенциал -0,76 В)

Возникает электроэкстракция – осаждение Zn на катоде.

η = 0,88÷0,94

1/g_э = 3500 кВт∙ч/т

τ = 40÷50 часов

После этого Zn сдирают с катода и переплавляют.

Получение Al

В качестве электролита используются не раствор, а расплав. В качестве сырья используется глинозем Al₂O₃

t_пл = 2050 ⁰С

Расплав этого материала имеет низкую проводимость. Поэтому в качестве электролита используют глинозем и криолит Na₃AlF₆

t_пл = 950 ⁰С

Ванны и электроды изготавливают из угля или графита.

I = 200÷250 кА

j = 7÷10 кА/м²

1/g_э = 14000÷16000 кВт∙ч/т

Гальванотехника

Это электротехнологический процесс осаждения металла на поверхность как металла, так и не металлических изделий с помощью электролиза.

Толщина покрытия не превышает десятков мкм.

Различают 2 разновидности:

· гальваностедия

· гальванопластика

Гальваностедия – омеднение, золочение, золочение, хромирование, никелирование…

Перед обработкой поверхность тщательно очищают, затем осуществляют травление кислотой H₂SO₄, HCl. В качестве электролита используется раствор соли наносимого металла. Иногда добавляют кислоты и щелочи для повышения проводимости. Анод изготавливается из наносимого металла, изделие является катодом.

Происходит перенос металла с анода на катод, обработка происходит при небольших плотностях тока, не больше десятков А/м².

Гальванопластика – получение точных копий с изделий.

 

Импульсные установки

1.Установки электроэрозионной обработки.

2.Установки электрогидравлической обработки.

3.Установки электроимпульсной сварки.

4.Устновки магнитоимпульсной обработки металла.

5.Установки импульсной электрохимической обработки.

1.Установк электроэрозионной обработки.

Работа этих устройств основана на явлении электроэрозии,т.е разрушение обрабатываемого материала(Ме) под действием импульсов тока, протекающего между электродом обрабатываемой поверхностью, как правило в диэлектрической среде.

При протекании импульсов тока в искровом канале происходит превращение электроэнергии в тепло в искровом канале между электродам и поверхностью. Происходит нагрев, и его удаление.

Основные параметры обработки:

-частота следования импульсов от сотен до сотен тысяч Гц,

-амплитуда тока от долей до тысяч А,

-длительность импульсов от долей до нескольких тысяч секунд.

Изменением этих параметров устанавливается необходимый режим обработки.
Схема1.

1-вертикальная стойка станка

2-рабочая ванна

3-стол для установки рабочей ванны, которая обеспечивает перемещение рабочей ванны по двум координатам в горизонтальной плоскости.

4-обратываемое электрод-изделие, располагающееся внутри рабочей ванны и перемещающейся вместе с ней.

5-устройство для вертикального перемещения.

6-источник высокого импульсного напряжения (периодическое, не ниже 1кВ).

7-система снабжения рабочей диэлектрической жидкостью(обычно трансформаторное масло). Система включает в себя насосы, фильтры, системы возврата жидкости, охладители.

8-электрод-инструмент, изготавливается из более тугоплавкого материала, чем электрод-изделие (вольфрам, графит).

Работа установки

Электрод-инструмент (8) подводится к поверхности изделия (4) и включается источник напряжения (6).

Т.е. к промежутку между электродом-инструментом (8), изделием (4) прикладываются импульсы высокого напряжения и в этом промежутке возникают электроискровые разряды. Эти каналы являются очень концентрированными преобразователями электрической энергии в тепловую с объемной плотностью 10^12 Дж/м3.

При этом плотность мощности 1-10^7 Вт/см2. Выделившаяся тепловая энергия приводит к нагреву, расплавлению, испарению металла изделия и его удаление с помощью рабочей жидкости. При этом многократные электрические разряды проходят послойно всю обрабатываемую поверхность. В итоге в изделии образуются углубления, которые копируют форму электрода.

В качестве источников питания используются импульсные источники питания на основе емкостных накопителей энергии.

Схема 2.

Питание происходит от сети 220В с помощью трансформатора тока. Повышенное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя VD, выпрямленное напряжение используется для периодической загрузки батареи конденсатора Cб. После зарядки этой емкости образуется разрядный контур, содержащий индуктивность Lp и рабочий искровой промежуток. Емкость разряжается, в разрядном контуре протекает ток Lp. После этого тиристор VD запирается и процесс зарядки емкости Сб повторяется. Управление режимом обработки (шероховатость, производительность) производится путем измения мощности и частоты следования импульсов тока ip.

Такие установки имеют высокую производительность и высокое качество обработки. При некоторых видах обработки такие установки незаменимы.

Недостаток: наблюдается износ электрода-инструмента.

 

Установки импульсной сварки

Предназначены для получения неразъёмных сварных металлических соединений путём сжатия места соединения и нагревания его до температуры плавления путём пропускания импульсного тока.

Схема процесса такая же как и в предыдущем случае. Отличие только в нагрузке. Детали практически не нагреваются.

Преимущество – локализация термического воздействия, исключается разрушение мелких сварных деталей.

 

Газолазерная резка

Специфические особенности возникают при использовании технологии резки материалов непрерывным излучением СО₂ –лазера с поддувом газа (при так называемой газолазерной резке (ГЛР)). Наибольшее применение получает ГЛР с поддувом кислорода. При этом струя кислорода выполняет тройную функцию. Сначала кислород способствует предварительному окислению металла и уменьшению его отражательной способности. В результате возрастает поглощение энергии лазерного излучения. Затем происходит воспламенение и горение металла в среде кислорода. Тепло этой реакции усиливает термическое действие лазерного излучения. И, наконец, струя газа сдувает и уносит из зоны (ГЛР) разреза расплав и продукты горения, а также резко сокращает время остывания материала. В результате удается получить чистый, качественный разрез значительно большей глубины, чем в отсутствии поддува.

При лазерной резке неметаллических материалов, особенно органических, содержащих в своем составе углерод, воспламенение и горение в кислороде отрицательно сказывается на качестве лазерной резки. В этом случае применяется поддув воздуха или инертных газов (СО_2, N_2, Ar, He). При этом газовая струя в основном используется для удаления продуктов разрушения из области разреза.

Применение газолазерной резки с использованием кислорода позволяет увеличить скорость резания и глубину разреза более, чем на порядок и уменьшить ширину разреза, по сравнению с лазерной резкой,путем испарения при одинаковой мощности излучения. Благодаря охлаждению области разреза и высокой скорости резания, зона термического влияния изменения структуры материала имеет малую величину – не более 0,05-0,02 мм. Качественно взаимная связь параметров технологического процесса имеет такой же характер, как и в случае резки путем испарения. Количественно значения обычно определяют экспериментально. Особенностью газолазерной резки является зависимость скорости резки от давления газа (О₂) в сопле.

Качественно эта зависимость имеет одинаковый характер для металлов и неметаллов, и имеет вид, показанный на рисунке.

Как видно из рисунка, скорость резания быстро изменяется при давлениях до двух атмосфер и слабо при давлениях выше этого значения.

Показателями эффективности использования энергии излучения при резке путем испарения и при газолазерной резке являются:

 

Ø Погонная энергия резания (затраченная энергия на единицу длины разреза):

Ø Удаленная энергия резания(затраченная энергия на удаление единицы массы вещества):

b- ширина разреза; ρ- удельный вес.

Численные значения колеблются в очень широких пределах в зависимости от материала и условий резки.

 

На практике стремятся к снижению и путем подбора оптимального сочетания параметров технологического процесса (Р, r_ф, q, b).

Для этой цели в некоторых случаях оказывается целесообразным применение сформулированного пятна эллиптической формы, вытянутого в направлении разреза.

Результат лазерной резки обычно оценивают по таким показателям как ширина разреза, качество и форма кромки. По этим показателям лазерная резка превосходит другие виды резки (т.е. получается минимальная ширина и чистая, ровная кромка).

 

Лазерное скрайбирование

Для резки хрупких материалов, например, стекла, ситалла, керамики, полупроводников из кремния и германия, применяется скрайбирование. При этом на поверхности разрезаемого материала лазерным лучом наносится неглубокий надрез или царапина с последующим разламыванием по линии надреза.

Такой метод резки получил широкое применение в технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных схем (разламывание пластин из кремния, ситалла). В результате существенно повышается качество и процент выхода годных изделий.

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

Составил: А.М. СОКОЛОВ

 

 

Иваново 2011

Литература

 

Основная

 

1. Лазерная техника и технология. Кн. 1 – Кн.7, под ред. А.Г. Григорянца, авт: В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев, А.Г. Григорянц и др. М., Высшая школа, 1987г.

2. А.В. Донской, В.С. Клубникин. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л. Машиностроение, 1979 г.

3. Основы электронно – лучевой обработки материалов. Н.Н. Рыкалин и др. М.: Машиностроение, 1975 г.

4. А.Л. Лившиц, М.Ш. Отто. Импульсная электротехника. М. Энергоатомиздат, 1983.

 

Дополнительная

 

1. Л.Л. Гольдин. Физика ускорителей. М.: Наука 1983 г.

2. процессы и установки электронно – ионной технологии. В.Ф. Попов, Ю.Н. Торин, М.: Высшая школа, 1988 г.

3. О. Звелто. Принципы лазеров. М.: Мир, 1984 г.

4. Мощные газоразрядные СО₂ – лазеры и их применение в технологии. Г.А. Абильсиитов, Е.П. Белихов и др. М.: Наука, 1984 г.

5. В.Н. Вакуленко, Л.П. Иванов. Источники лазеров. М.: Сов. радио, 1980 г.

6. Ю.В. Байбородин. Основы лазерной техники. Киев, Высшая школа, 1988г