Нагрев в электролите

Метод нагрева металлов в электролите основан на явлении нагрева катода (изделия) при пропускании через электролит постоянного тока повышенного напряжения (200—300 В). Анод — ванна из нержавеющей стали. Катод нагревается в результате выделения на нем водорода, который образует вокруг катода газовый слой с высоким омическим сопротивлением, что вызывает выделение большого количества тепла. Это тепло расходуется главным образом на нагрев катода. Непременным условием разогрева катода должна быть разность плотностей тока на аноде и катоде. На аноде она должна быть меньше, чем на катоде.

Скорость и другие характеристики нагрева зависят от состава электролита, температуры ванны, напряжения, плотности тока и качества поверхности нагреваемой детали—катода.

В электролитах можно осуществлять как сквозной, так и поверхностный нагрев деталей.

Принципиальная схема установки с машинным генератором приведена на рис. 6.11. Характер изменения силы тока в цепи при изменении напряжения приведен на рис. 6.13. На кривой рис. 6.13 можно выделить три участка. Первый соответствует обычному электролизу. Зависимость между напряжением и силой тока в этот период подчиняется закону Ома. При дальнейшем увеличении напряжения на катоде интенсивно выделяются пузырьки водорода и электролит контактирует с поверхностью катода только в отдельных местах. При образовании пузырьков и их отрыве между эдектролитом и катодом возникают искровые разряды, приводящие к колебанию тока в цепи (первая фаза нагрева). Выделяющиеся пузырьки водорода создают местные разобщения электролита и катода, поэтому прохождение тока происходит в отдельных местах катода. Это приводит к быстрому нагреву прилегающего к катоду тонкого слоя электролита и образованию паровой оболочки вокруг катода. В этот момент (вторая фаза) сила тока снижается, что сопровождается конденсацией паровой оболочки. Оболочка во второй фазе становится устойчивой.

Электролитические процессы, протекающие при пропускании постоянного тока через электролиты, сопровождаются непрерывным выделением в газовую оболочку ионов водорода и металла, что обусловливает самостоятельную проводимость газовой оболочки. Электрический ток проходит через нее в виде искровых разрядов, что сопровождается резким локальным возрастанием давления газа и температуры поверхности катода. Катод нагревается в основном во второй фазе. Поэтому основные параметры процесса выбирают такими, чтобы возможность нагревания катода в первой фазе была исключена.

Рис. 6.11. Схема нагрева в электролите:

1 - двигатель; 2 – генератор постоянного тока; 3 – ванна с электролитом; 4 – нагреваемое изделие

1 –

Рис. 6.12. Зависимость силы тока от напряжения:

1 – электролиз; 2 – первая фаза;

3 – вторая фаза

Прерывистость искровых разрядов создает пульсирующие тепловые потоки на поверхности катода. С увеличением степени ионизации газовой оболочки у катода увеличивается частота разрядов и их мощность, что позволяет регулировать поступление теплоты в изделие. При малой степени ионизации газовой оболочки, например при пониженном напряжении тока, характер изменения температуры поверхности катода во времени соответствует кривой 1, а при большой степени ионизации — кривой 2(см. рис. 6.12). Из этого следует, что при нагреве металлов в электролите могут быть созданы различные условия распределения теплоты по сечению.

Прохождение электрического тока в процессе электролитного нагрева сопровождается выносом на нагреваемую поверхность ионов водорода и металла, высокими температурами и давлениями, образованием импульсных тепловых потоков и электроэрозионными процессами, создает иные условия нагрева металла, чем те, которыми характеризуются другие методы. Существенное из этих условий: а) наличие водородной среды, позволяющей осуществлять безокислительный нагрев; б) возникновение электроэрозии и электротравления, что позволяет очищать поверхность изделий от оксидов и загрязнений; в) импульсная передача теплоты, позволяющая регулировать качество и скорость нагрева.

Нагрев металла в электролите проводится при плотности тока 2—6 А/см². С повышением температуры электролита повышается его электропроводность, ослабевает влияние факторов, тормозящих диссоциацию осажденных солей. С повышением температуры электролита происходит повышение КПД процесса, уменьшается сила тока вследствие утолщения газовой оболочки вокруг катода. Благотворное влияние повышения температуры электролита на КПД сказывается до температур жидкости 70—80 °С. При дальнейшем повышении температуры происходит интенсивное кипение электролита на катоде, сопровождающееся неустойчивостью газовой оболочки. Это приводит к пульсации тока в цепи.

Повышению КПД процесса и повышению равномерности нагрева способствует искусственная циркуляция электролита в ванне. Этому же способствует и уменьшение расстояния между анодом и катодом.

В качестве электролитов могут быть использованы: 14— 16 %-ный раствор углекислого натрия Na₂C0₃; 20-25%-ный раствор углекислого калия КС0₃; 25— 30 % -ный раствор уксуснокислого калия СН₂СООК. Введение в состав электролита различных солей позволяет выделять на катоде те или иные элементы, т. е. осуществлять диффузионные процессы, например цементацию. Регулирование скорости нагрева осуществляют, изменяя напряжение и силу тока, а также температуру и концентрацию электролита. На характеристики нагрева различных материалов влияет только их теплопроводность, и не влияют магнитные и электрические свойства. Путем регулирования напряжения возможно осуществление одноступенчатого и двухступенчатого режима. Первый проводят при одном первичном значении напряжения тока со скоростями нагрева 10—50 °С/с. Понижение скорости нагрева, а также уменьшение времени выдержки при заданной температуре можно осуществить при двухступенчатом режиме, реализуемом с использованием различных напряжений. Каждому напряжению второй ступени соответствует своя температура теплового равновесия. При нагреве деталей в электролите для получения однородного нагрева или предохранения от нагрева отдельных участков изделий используют экраны (тонкие пластины из винипласта, или фторопласта, или огнеупора). Пластмассовые экраны располагают на расстоянии; 1—2 мм от катода.

Рис. 6.13. Схемы уста­новок для нагрева.в электролите:

1 — концевой нагрев (а — нагрев свободнрг.о конца; б — то же, но при экрани­ровании конца; в — при экранировании торца и ча­сти изделия); 2 — полный нагрев (а и б — в слое элек­тролита; в — под слоем элек­тролита); 3 — местный на­грев (а и б — нагрев с по­гружением и вращением; в — нагрев в струе и при враще­нии, изделия); 4 — последо­вательный нагрев (о — на­грев наружной поверхности; б — нагрев внутренней по­верхности: в — нагрев под слоем электролита)

Принципиальные схемы устройств для различных способов электролитного нагрева приведены на рис. 6.13. Все схемы процессов (концевой, полный, местный и последовательный) могут быть использованы для нагрева заготовок под пластическую деформацию и термическую обработку.

Установки для нагрева состоят из преобразователя тока (электромашинного или тиристорного), электролитной ванны (нагревательного устройства), системы циркуляции и охлаждения электролита, механизмов для загрузки, крепления и выгрузки изделий. Стоимость оборудования для нагрева в электролите на 25 % ниже стоимости установок контактного нагрева и в 3 раза ниже стоимости высокочастотного комплекта. Коэффициент полезного действия установок примерно такой же, что и индукционных установок. Снижению стоимости нагрева за счет капитальных вложений и эксплуатационных расходов будет способствовать широкое использование в качестве преобразователей тока мощных тиристоров.

Под руководством канд. техн. наук И. 3. Ясногородского внедрены в промышленность многие десятки автоматов электролитного нагрева производительностью 1—2 тыс. шт./ч; созданы агрегаты, в которых нагрев и формоизменение изделий объединены, что упрощает создание поточных линий.

Дата добавления: 2015-12-07