Электрохимические процессы в промышленности реферат

Обновлено: 02.07.2024

Технология электрохимических производств рассматривает процессы, в которых основные реакции проходят в обстановке непосредственного перехода электрической энергии в химическую, без промежуточного превращения энергии в тепло.

Для этого созданы особые технологические методы и аппаратура, основанные на теоретической электрохимии и отличающиеся от методов в других областях химической технологии. При электролизе нужные реакции могут быть проведены, как правило, с высокой степенью избирательности, что позволяет получить продукт с относительно небольшими примесями. Степень полезного использования электроэнергии при электролизе относительно велика.

Технологические процессы, которые могут быть проведены электрохимическими методами, в большинстве случаев могут быть также осуществлены и другими химическими способами.

Выбор технологии должен решаться на основе сравнительного техноэкономического анализа, который учитывает экономику производства, ресурсы необходимого сырья, сложность аппаратурного оформления и другие вопросы.

Техноэкономические преимущества электрохимических методов определяются тем, что с их помощью можно в относительно простых технологических схемах получить достаточно чистые продукты. Недостатки связаны с необходимостью расходовать дорогой вид энергии (энергию постоянного тока) и производить затраты на создание источников ее получения.

Электрохимические методы нашли применение для получения водорода и кислорода, хлора, гидроксида натрия и калия, кислородных соединений хлора, для электросинтеза неорганических веществ, а также и для синтеза органических веществ.

Используется электрохимический метод для получения гидроэлектрометаллургическим путем таких металлов, как медь, никель, цинк, кобальт, кадмий, марганец, хром, железо, серебро, золото и др., а также металлических порошков. Применяя электролиз расплавленных сред, можно получать алюминий, магний, щелочные и щелочноземельные металлы (натрий, кальций), бериллий, редкие и редкоземельные металлы, а также элементарный фтор.

В гальванотехнике электрохимические методы используются для меднения, никелирования, хромирования и нанесения других покрытий, в машиностроении — для анодномеханической обработки изделий (сверление, резание, электрополировка, точная сложнопрофилированная обработка и др.).

На основе электрохимических процессов созданы химические источники тока, такие, как аккумуляторы и гальванические элементы.

Электрохимические реакции проходят в аппаратах, называемых электролизерами. В них через электролиты (растворы или расплавы — проводники второго рода) проходит постоянный ток от анода к катоду. На аноде проходят реакции окисления, а на катоде — реакции восстановления.

По законам Фарадея количество вещества, выделившееся на электродах, пропорционально количеству прошедшего электричества. На каждом электроде может протекать параллельно несколько реакций. Доля от общего количества прошедшего электричества, израсходованная на данную реакцию, составляет ее выход по току.

Практически важен выход по току на основную реакцию, который характеризует совершенство процесса. Под скоростью реакции в электрохимии понимают плотность тока - количество электричества, прошедшее в единицу времени через единицу поверхности электрода на его границе с электролитом.

На практике плотность тока определяют, деля его силу на геометрическую площадь электрода. Различают расчетную и истинную плотность тока, которая определяется не геометрической, а действительной поверхностью электрода. Последняя зависит от пористости и рельефа поверхности (наличия выпуклостей и впадин) и практически не может быть определена. Очевидно, чем более развита поверхность электролита, тем меньше истинная плотность тока и тем больше она отличается от расчетной.

На промышленных установках электрохимическим путем проводят главным образом реакции, требующие затраты электрической энергии. Эти затраты характеризуются скачком потенциала, который возникает на границе электрод - электролит. Если электродная реакция проходит в равновесных обратимых условиях (при силе тока, приближающейся к нулю), то скачок потенциала между электродом и электролитом называется равновесным потенциалом. Равновесный потенциал дает значение скачка потенциала, нужного для начала реакции.

Сумма равновесных потенциалов на аноде и катоде называется напряжением разложения. Именно при этом напряжении, при токе, близком к нулю, и при наличии условий для обратимости электродных реакций начинается процесс электролиза.

Практически через электроды проходит ток, отличающийся от нуля, и электродные процессы идут поэтому в неравновесных условиях. Скачок потенциала на границе электрод —электролит в этих случаях больше равновесного и называется потенциалом электрода. Экспериментально измерить разность потенциалов между электродом и электролитом нельзя. Вместо этого измеряют разность потенциалов между данным и стандартным (например, стандартным водородным электродом) электродами. Эту разность принимают за потенциал электрода. Правило знаков для потенциалов вытекает из этого способа их определения.

Разность между потенциалом электрода и его равновесным потенциалом называется перенапряжением. Оно тем больше, чем выше истинная плотность тока. Перенапряжение на электроде возникает также и в том случае, когда реакции, проходящие на нем, необратимы. Перенапряжение пропорционально энергии, которую надо затратить для того, чтобы провести электродную реакцию с определенной скоростью.

Электродная реакция проходит через следующие стадии:

1) подача к электродам веществ, вступающих в реакцию, из электролита и отвод от них продуктов реакции;

2) перемещение электронов между электродами и ионами;

3) вторичные реакции на электродах (например, образование молекул водорода и кислорода из атомов).

Чтобы на электродах процесс протекал с заданной скоростью, требуется определенное количество электрической энергии на каждую стадию. На первой стадии оно пропорционально концентрационной составляющей перенапряжения, или концентрационной поляризации.

Равновесные потенциалы вычисляют, исходя из средней активности (концентрации) реагирующих веществ в растворе. У электродов они или срабатываются или нарабатываются, поэтому там их активность отличается от средней.

Равновесный потенциал реакции, вычисленный по значению истинной активности веществ у электродов, отличается от потенциала, вычисленного по средней активности. Разность между ними составляет концентрационную поляризацию. Она пропорциональна работе концентрирования или разбавления растворов от среднего значения активности до истинного, которое создается у электродов, и тем больше, чем выше скорость реакции на электродах.

От двух других стадий электродного процесса зависит появление второй составляющей перенапряжения - химического перенапряжения или поляризации. С энергетической стороны оно объясняется следующим. Из химической кинетики известно, что в реакции вступают лишь активные молекулы, обладающие энергией выше определенного уровня (энергия активации).

Увеличивая против равновесного скачок потенциала на границе электрод - электролит, возможно как бы снизить энергетический барьер и тем увеличить долю активных частиц, не изменяя температуры. В этой части имеется аналогия между каталитическими и электрохимическими процессами. Дополнительный скачок потенциала против равновесного (химическая поляризация) пропорционален работе, необходимой для активации нужного числа ионов или молекул для того, чтобы реакция могла идти с заданной скоростью. Химическая поляризация тем выше, чем больше скорость реакции.

Физическая картина на электродах, объясняющая возникновение химической поляризации, рассматривается в теории двойного слоя и связанной с ней теории замедленного разряда. Эти теории показывают, что величина химической поляризации зависит от строения двойного слоя, которое в значительной мере определяется составом раствора и способностью материала электрода адсорбировать те или иные компоненты раствора. Таким образом, подбирая состав раствора и материал электрода, можно управлять химической поляризацией.

Реальное напряжение, которое должно быть приложено к клеммам электролизера — напряжение электролиза - для того, чтобы вести реакцию с заданной скоростью, больше напряжения разложения на величину перенапряжений на электродах и на сумму потерь в проводниках первого и второго рода.

Расход электрической энергии на единицу продукта прямо пропорционален произведению напряжения электролиза на количество электричества, необходимого для выработки продукта (с учетом выхода по току). Из общего расхода электроэнергии в химическую энергию переходит только часть. Эта часть пропорциональна напряжению, которое называется напряжением по Томпсону. Оно отличается от напряжения разложения по следующей причине: необходимая для хода процесса на электродах (при постоянной температуре и в равновесных обратимых условиях) электрическая энергия, пропорциональная напряжению разложения, не полностью соответствует изменению внутренней энергии системы. Может случиться (в зависимости от свойств веществ, участвующих в реакции), что ее часть в ходе реакции превратится в тепло, переходящее во внутреннюю энергию системы.

Разность между напряжением электролиза и напряжением по Томпсону пропорциональна избыточному теплу, выделяющемуся при электролизе. Это греющее напряжение, или тепловая составляющая напряжения.

Доля общей затраты электроэнергии, перешедшая в результате реакции во внутреннюю энергию целевого продукта, называется выходом по энергии.

К основным технологическим показателям электролиза относятся: выход по току, коэффициент использования энергии (выход по энергии) и расходный коэффициент по энергии.

Выход по току (В_т, %) рассчитывают по формуле:

где: m_ф - количество вещества, фактически полученного при электролизе, кг; m_т - количество вещества, которое должно было бы выделяться согласно закону Фарадея, кг.

где: I - сила тока, А; τ – время электролиза, ч; k -электрохимический эквивалент выделяемого вещества.

где: F - константа Фарадея, равная 96 500 Кл или 26.8 А∙ч; z - заряд выделяемого на электроде иона.

Коэффициент использования энергии (В_э, %) рассчитывают по формуле:

где: W_T - теоретический расход энергии, кВт∙ч; W_ф - фактический расход энергии, кВт∙ч.

где: V_т - теоретическое напряжение разложения, В; V_п - фактическое напряжение на электродах, В.

Теоретический расход электроэнергии (кВт∙ч/т) можно также рассчитать по уравнению:

Процесс электролиза начинается в том случае, если напряжение, приложенное к электролизеру (V_п), превысит на бесконечно малую величину (∆V) теоретическое напряжение разложения (V_т), т.е. будет обеспечено условие:

Теоретическое напряжение разложения на электродах ванны определяется по уравнению:

где: E k – фактический потенциал разряда ионов на катоде, В; E a - фактический потенциал разряда ионов на аноде, В.

Фактические потенциалы разряда ионов отличаются от их равновесных потенциалов разряда на величину перенапряжения, соответственно, катодного E k _пер и анодного E а _пер, которые повышают равновесные потенциалы:

E k = E k _р + E k _пер и E а = E а _р + E а _пер (9.9)

где: E k _р и E а _р - равновесные потенциалы разряда катиона и аниона.

Равновесные потенциалы разряда ионов равны по величине и обратны по знаку равновесным электродным потенциалам: E k _р = - φ k и E а _р = - φ а , которые могут быть рассчитаны по формуле Нернста:

где: φ 0 _k/_a - стандартный электродный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль∙К; Т – температура, К; a_k_/_a - активность иона в растворе (расплаве), моль/л; F – постоянная Фарадея, равная 96500 Кул.; z – заряд иона электролита.

где: J – сила тока, А; R – общее сопротивление процесса электролиза, Ом; R_э – сопротивление электролита, Ом; R_д - сопротивление диафрагмы электролизера, Ом; R_тп - сопротивление токоподводящих путей, Ом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ТЕМЕ 9.1

9-1. Какие процессы называются электрохимическими и чем они отличаются от электротермических процессов? Приведите примеры тех и других.

9-2. Какие преимущества имеют электрохимические методы получения веществ перед химическими?

9-3. Назовите области применения электрохимических методов.

9-4. Что является условием процесса электролиза? Что такое перенапряжение и как оно влияет на последовательность разряда ионов при электролизе?

9-5. Перечислите количественные характеристики промышленного электролиза и дайте им определение.

ЗАДАЧИ К ТЕМЕ 9-1

9-1. Сколько теоретически соляной кислоты можно получить из электролитического хлора и водорода за сутки, если сила тока, подаваемого на электролизер, равна 1500 А. Массовая доля соляной кислоты в растворе равна 37.23 % (плотность 1.19 г/мл). Ответ выразить в килограммах и литрах.

9-2. С хлорного электролизера диафрагменного типа нагрузкой 40 кА за сутки получен щелок объемом 10.6 м 3 , содержащий 130 кг/м 3 гидроксида натрия. Определите выход щелочи по току.

9-3. Сколько ванн должно быть в цехе рафинирования меди производительностью 182.5 тыс. т/год катодной меди, если ванны работают с нагрузкой 12 кА, а выход по току для меди составляет 96 %? Коэффициент использования ванн 0.96.

9-4. Определите массы газообразного хлора и 50 %-ного раствора гидроксида натрия, производимых электролизом водного раствора хлорида натрия в сутки, если сила тока, проходящего через электролизер, равна 150 кА, а выход по току составляет 0.95.

9-5. Определите теоретический расход электроэнергии на производство 3 т 85 %-ного гидроксида натрия и 3 т газообразного хлора, если теоретическое напряжение электролиза 2.2 В.

9-6. При электролизе расплава 24 г некоторого вещества на аноде выделилось 33.6 л водорода (н.у.). Определите вещество, которое было взято для электролиза и объём 20 %-ного раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл), необходимый для реакции.

9-7. При пропускании через расплав некоторого бинарного неорганического соединения тока силой 1 А в течение 8 часов получено 2.068 г металла. Какое соединение подверглось электролизу, если соотношение компонентов в нем составляет 1 : 0.145 мас.%?

9-8. При пропускании через 80 мл раствора, содержащего смесь AgNO₃ и Cu(NO₃)₂ тока силой 0.8 А в течение 117 мин на катоде выделилась смесь металлов общей массой 3.0 г. Напишите уравнения электролиза каждой соли и определите молярные концентрации солей в исходном растворе, если известно, что на аноде выделились газы, а после окончания электролиза раствор не содержит ионов металлов.

9-9. При электролизе раствора нитрата хрома(III) на катоде выделилось 31.2 г хрома, который растворили в соляной кислоте. Раствор оставили на воздухе, а затем к нему постепенно прилили 25 %-ный раствор гидроксида натрия (плотность 1.28 г/мл). Выпавший вначале осадок затем полностью растворился. Сколько мл раствора гидроксида натрия потребовалось для растворения осадка?

9-10. Исследовали два образца бинарного соединения некоторого металла. Первый образец массой 16 г расплавили и подвергли электролизу, что дало 26.312 л водорода, измеренного при 720 мм. рт.ст. и 31 о С. Второй образец массой 37.23 г при действии на него воды дал 9.308 г водорода. Установите формулу неизвестного соединения и напишите уравнения происходящих процессов.

9-11. Через раствор соли органической кислоты в течение 5 часов пропускали ток силой 2 А. В результате электролиза на катоде выделилось 12.195 г металла, а на аноде - оксид углерода(IV) и водород. Определите, какая соль была подвергнута электролизу.

9-12. При электролизе водного раствора хлорида натрия с ртутным катодом получена амальгама, которую обработали водой. На титрование полученного раствора израсходовано 7.46 мл 0.5 М раствора серной кислоты. Определите силу тока, пропущенного через раствор, если время электролиза равно 1 час.

9-13. Водный раствор нитрата неизвестного металла подвергли электролизу. При этом на платиновых электродах выделилось 3.78 г металла и 196 мл кислорода (н.у.). Определите нитрат какого металла подвергнут электролизу.

9-14. Водный раствор нитрата меди подвергли электролизу с использованием инертных (угольных) электродов. Электроды взвесили после завершения электролиза и через час после его завершения. Одинаковыми ли будут эти массы? Ответ обоснуйте.

9-15. Определите выход по энергии при электролизе глинозема в криолите, если теоретическое напряжение электролиза равно 1.12 В, практическое напряжение – 4.6 В, выход металла по току – 0.8.

9-16. Рассчитайте степень превращения хлорида натрия в электролизере, католит которого содержит гидроксида натрия 120 г/л и хлорида натрия 190 г/л.

9-17. Рассчитайте выход по току для электролизера при силе тока 14 000 А, если за 24 ч было 4000 л электролитического щелока, содержащего 120 г/л гидроксида натрия.

9-18. Для условий задачи 10-17 рассчитайте коэффициент использования энергии, если практическое напряжение разложения хлорида натрия 3.6 В и выход по току 96 %.

9-19. Рассчитать степень превращения хлорида натрия для электролизера, если расходный коэффициент по рассолу равен 9.4, содержание хлорида натрия в рассоле 310 г/л.

9-20. На заводе медицинских инструментов поверхность большинства изделий покрывают слоем никеля толщиной 5.0·10 -5 м из электролита на основе NiSO ₄. Определите продолжительность электролиза для получения покрытия необходимой толщины на пинцете, поверхность которого 4.3·10 -3 м2 , если плотность металлического никеля 8.9 т/м 3 , а выход по току 9 6%. Сила тока при электролизе 1.9 А.

к списку лекций

к списку предметов

Основные направления применения электрохимических процессов.

Электролиз раствора хлорида натрия. Теоретические основы процесса и технология.

Электрохимическая промышленность, базирующаяся на электрохимических процессах – одна из крупнейших отраслей народного хозяйства. Она включает электролиз водных растворов, расплавленных сред и производство химических источников тока (аккумуляторы, гальванические элементы, топливные элементы и т.д.).

Основные направления применения электрохимических производств.

При электролизе водных растворов и расплавленных сред могут быть получены самые разнообразные химические продукты. Электролизом водных растворов натрия и калия получают такие многотоннажные химические продукты, как водород, хлор, гидроксиды натрия и калия. Методом электролиза водных растворов осуществляют энергохимический синтез многих неорганических и органических веществ – гипохлоритов, хлоратов, перхлоратов, хлорной кислоты, перманганатов, диоксида марганца, а также адипонитрила, антидетонаторов, например, тетраэтилсвинца, гидрохинона, фторпроизводных ряда органических соединений и др. На электролизе водных растворов основаны гидроэлектрометаллургия и гальванотехника. Гидроэлектрометалургия – это извлечение металлов из водных растворов их солей путем электролиза. Электролиз обычно служит завершающей стадией ряда металлургических процессов. Электрохимическими методами получают и рафинируют медь, цинк, кадмий, марганец, хром, свинец, олово, благородные металлы.

Гальванотехника применяется в металлообрабатывающей промышленности для нанесения на металлические изделия покрытий из металлов или сплавов. Эти покрытия наносят с целью защиты металла от коррозии, повышения твердости и сопротивления механическому износу, с декоративной целью, а также для изготовления точных металлических копий с различных предметов (гальванопластика). С развитием новых отраслей техники (атомная энергетика, ракетостроение, радиоэлектроника и др.) перед гальванотехникой становится более сложные задачи, например, высокая стойкость покрытий в экстремальных условиях, определенные магнитные характеристики, высокая жаростойкость, сверхпроводимость, равномерность свойств покрытия на сложно-профилированной поверхности и др.

Электролиз расплавленных сред используют в металлургии для производства и рафинирования металлов, которые не могут быть получены электролизом водных растворов – целого ряда легких, тугоплавких, благородных и редких металлов, а также сплавов.

В настоящее время такие материалы как алюминий, магний, натрий, литий, калий, титан и многие другие получают только электролизом расплавленных сред. Электролиз расплавов используют также для получения фтора и бора.

Важнейшая область электрохимии – получение и эксплуатация химических источников тока. Химические источники тока подразделяются на первичные и вторичные.

Масштабы применения химических источников тока весьма велики. Все самолеты и автомобили с двигателями внутреннего сгорания снабжены аккумуляторами, приводящими в действие двигатель. Различные электронные устройства, например, транзисторные приемники, часы работают за счет малогабаритных батарей. Большие перспективы имеет электрохимическая энергия, т.е. применение электрохимических топливных элементов в энергоустановках – автотранспорте, электростанциях и т.д.

Электрохимические методы все более широко внедряются в технику очистки сточных вод, в частности для опреснения сильно минерализированных вод электролизом с регенерацией индивидуальных солей, кислот и щелочей.

Электрохимические методы развиваются в промышленности опережающими темпами по сравнению с химическими в связи с их очевидными преимуществами. В электрохимических процессах аппаратура во многих случаях проще и компактнее по сравнению с альтернативными химическими процессами, электрохимические методы получения ряда продуктов характеризуются меньшим числом производственных стадий и операций, более дешевым сырьем и большей глубиной его превращения, одновременным образованием (причем в раздельном виде) ценных продуктов. Эти преимущества часто обусловливают более низкую себестоимость получаемой продукции. Одно из главных достоинств электрохимических методов – чистота получаемых продуктов. Основной недостаток электрохимических процессов – высокая энергоемкость, поэтому энергетические затраты составляют главную статью себестоимости продуктов. Поэтому для электрохимических производств особенно важно снижение энергопотребления путем совершенствования технологии, а также рационального, экономичного использования электроэнергии.

Электролиз раствора хлорида натрия

Электролиз раствора NaCl – наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех важнейших химических продуктов – хлора, водорода и гидроксида натрия с использованием дешевого и доступного природного сырья. Это самое крупномасштабное электрохимическое производство. Суммарная реакция в электролизере может быть выражена уравнением

Хлор применяют в больших масштабах как сырье для производства хлорорганических растворителей и пластмасс, синтетических каучуков, химических волокон, ядохимикатов. В металлургии хлор применяется для хлорирующего обжига руд, в текстильной и целлюлозно-бумажной промышленности – для очистки и отбеливания целлюлозы, бумажной массы и тканей. Большие количества хлора идут на очистку и стерилизацию сточных вод и питьевой воды.

Гидроксид натрия используется в производстве многих химических продуктов, прежде всего в промышленном органическом синтезе, в целлюлозно-бумажном производстве, в производстве искусственных волокон, в металлургии (производство алюминия), в нефтехимической промышленности и др.

О значении водорода как топлива будущего и химическом реагенте говорилось раньше.

Электролиз раствора NaCl осуществляется двумя методами, различными по характеру электродных процессов и по аппаратурному оформлению:

1. электролиз с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой;

2. электролиз без диафрагмы с жидким ртутным катодом.

Газообразные продукты – хлор и водород при любом способе отличаются высокой чистотой. При электролизе с ртутным катодом и третий продукт – раствор гидроксида натрия имеет высокую концентрацию N a OH и является химически чистым. Благодаря чистоте получаемых продуктов, простому и компактному аппаратурному оформлению, а также одностадийности процесс электролиза раствора NaCl является единственным в мире способом производства хлора и основным способом получения гидроксида натрия.

Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой.

При реализации этого процесса на катоде в соответствии с значениями электродных потенциалов протекают следующие процессы:

Материалами для катода служит сталь, на которой водород выделяется с относительно невысоким перенапряжением (0,3 В). В реальных условиях электролиза (концентрированный раствор NaCl , содержащий NaOH , температура 90 ° С) фактический потенциал выделения водорода составляет около – 0,845 В. Снижение потенциала до 0,3 – 0,4 В можно достичь применением пористых графитовых катодов, для упрочнения и гидрофобизации пропитанных политетрафторэтиленом и активированных солями меди или серебра.

Накапливающиеся в катодном пространстве гидроксид-ионы образуют нейтральные молекулы гидроксида натрия

На аноде выделяется хлор:

Материалом анода служит оксидно-рутениевая система (композиция из оксидов рутения и титана, нанесенных на титановую основу), обладающая прочностью и химической инертность по отношению к кислороду являющемуся побочным продуктом, образующемся на аноде:

Кроме того, в объеме электролита анодного пространства в результате гидролиза хлора идут побочные химические реакции:

Образующийся в результате этой последовательной реакции гипохлорит анион претерпевает анодное окисление

Побочные реакции снижают выход по току основных продуктов и повышают расходные коэффициенты по энергии. Поэтому условия электролиза и концентрация электролитов должны обеспечивать минимальное протекание побочных реакций и достижение максимального выхода по току целевых продуктов. Для этого электролиз реализуют в электролизерах непрерывного действия с вертикальными фильтрующими диафрагмами при противотоке движения электролита и OH – ионов. Схема электролизера представлена на рис. 1.

Корпус ванны в этой конструкции разделен на катодное и анодное пространства пористой диафрагмой из асбеста, модифицированного полимерными веществами. Диафрагма плотно прилегает к перфорированному стеклянному катоду. В современных электролизерах катоды имеют гребенчатую разветвленную форму с целью развития поверхности. В анодном пространстве расположен оксидно-рутениевый анод. Очищенный рассол подают в анодное пространство и вследствие гидростатического давления он фильтруется через диафрагму и катод в катодное пространство. Из катодного пространства непрерывно отводят водород и раствор гидроксида натрия, а из анодного – хлор. В образующемся хлор-газе содержится 95 – 96% Cl ₂. Хлор-газ охлаждают до 20 ° С (при этом конденсируется вода) и дополнительно сушат промывкой концентрированной серной кислотой. Катодный продукт – раствор гидроксида натрия содержит 120 – 140 г/л NaOH и 170 – 180 г/л неразложившегося NaCl . Раствор выпаривают, при этом NaCl переходит в твердую фазу, т.к. его растворимость резко снижается с увеличением концентрации NaOH . После выпарки и плавки щелоков получают безводны гидроксид натрия, содержащий 92 – 95% NaOH и 2 – 4% NaCl .

Благодаря противотоку электролита и ионов OH - , последние практически не попадают в анодное пространство и побочные реакции (5), (7) – ( 9), за которые они ответственны, предельно минимизированы.

Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом.

На ртутном катоде электродные реакции (1) и (2) идут с большим перенапряжением – потенциал разряда составляет 1,7 – 1,8 В. Натрий выделяется на ртутном катоде с большим эффектом деполяризации и потенциал разряда Na + на ртути много ниже стандартного и равен 1,23 В. Явление деполяризации ртутного катода обеспечивается тем, что разряд ионов натрия происходит с образованием химического соединения – амальгамы натрия

которая непрерывно отводится с поверхности анода, растворяясь в избытке ртути. На перфорированном графитовом (или оксидно-рутениевом) аноде выделяется хлор

Амальгаму натрия, содержащую 0,1 – 0,3% Na выводят из электролизера и разлагают нагретой водой в отдельном реакторе-разлагателе. В разлагателе идет электрохимическая реакция, соответствующая процессу в короткозамкнутом гальваническом элементе NaHg _n [ NaOH ] С в котором амальгама служит катодом

Схема электролизера с ртутным катодом представлена на рисунке 2.

Глубоко очищенный концентрированный раствор NaCl подают в наклонный удлиненный электролизер, по дну которого самотеком, противотоком рассолу, движется ртуть, служащая катодом. Над ртутью расположен горизонтальный оксидно-рутениевый (или перфорированный графитовый) анод, погруженный в рассол. Анодная жидкость, содержащая непрореагировавший NaCl , выводится из электролизера совместно с хлор-газом, от которого отделяется в сепараторах и продувочных колоннах (на схеме не показаны). Хлор подают на осушку, а обесхлоренный рассол после очистки от ртути и примесей насыщается каменной солью и возвращается в электролизер. Амальгама натрия из электролизера перетекает в наклонный реактор-разлагатель, где движется противотоком дистиллированной воде, подаваемой в количестве, обеспечивающем получение 45%-ого раствора NaOH . На дне разлагателя размещены гребенчатые графитовые плиты, образующие с амальгамой короткозамкнутый гальванический элемент NaHg _n [ NaOH ] С. Отводимый гидроксид натрия отделяют в сепараторах от водорода и передают потребителям. Ртуть, вытекающую из разлагателя, ртутным насосом перекачивают в электролизер.

Поскольку на стадии электролиза щелочь не образуется, то в процессе с ртутным катодом исключены побочные реакции (5), (7) – ( 9) и процесс характеризуется высоким выходом по току и энергии.

Однако, метод электролиза с ртутным катодом требует особо тщательной очистки исходного циркулирующего рассола, так как примеси магния, железа, кальция и других металлов снижают перенапряжение водорода на ртутном катоде, что может привести к нарушению катодного процесса и взрывам.

Электролиз с ртутным катодом дает высококонцентрированные, химически чистые растворы гидроксида натрия, которые необходимы для целого ряда потребителей, прежде всего в производстве искусственных волокон, при синтезе и подготовки ионообменных материалов и др. Но использование ртути вредно для здоровья людей. Для получения химически чистых растворов NaOH начали применять электролиз раствора NaCl с ионообменной (катионообменной) мембраной, разделяющей катодное и анодное пространства. Этот метод более сложен по аппаратурному оформлению и эксплуатации аппаратуры, но значительно безопаснее, чем ртутный. Мембранный метод электролиза, так же как и диафрагменный, может считаться малоотходным технологическим процессом.

Электродами называются проводники, имеющие электронную проводимость; это так называемые проводники первого рода. Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия называется равновесным электродным потенциалом. Одновременно протекает и обратная реакция, т. е. восстановление ионов металла до атомов. Электрохимическая система состоит из двух электродов и ионного проводника между ними. Рассмотрим… Читать ещё >

Электрохимические процессы. Электрохимические процессы ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Электродный потенциал

Процессы взаимного превращения химической и электрической форм энергии называются электрохимическими процессами.

Действие электрохимической системы основано на протекании окислительно-восстановительной реакции. К электрохимическим относятся только такие окислительно-восстановительные реакции, которые вызывают электрический ток или сами происходят под действием электрического тока.

Электрохимические процессы бывают двух видов:

1. Превращение химической энергии в электрическую (гальванический элемент).
2. Превращение электрической энергии в химическую (электролизер).

Электрохимическая система состоит из двух электродов и ионного проводника между ними.

Электродами называются проводники, имеющие электронную проводимость; это так называемые проводники первого рода.

Ионным проводником, т. е. проводником второго рода, служат растворы или расплавы электролитов, а также твердые растворы.

Электроды соединяют друг с другом металлическим проводником, который называют внешней цепью электрохимической системы.

Рассмотрим процессы, протекающие при погружении металлов в раствор собственных ионов.

При погружении металлов в водный раствор начинается взаимодействие поверхностных катионов с полярными молекулами воды, находящихся у поверхности электрода.

В результате этого взаимодействия ионы металлов переходят в раствор, происходит окисление металла. В металле остаются электроны.

Поверхность металла становится заряженной отрицательно, а раствор — полож-но. Положительные ионы из раствора притягиваются к отрицательно заряженной поверхности металла. В результате на границе раздела металл — раствор возникает двойной электрический слой. Между металлом и раствором возникает разность (скачок) потенциалов, которая называется электродным потенциалом.

По мере перехода ионов в раствор растет отрицательный заряд поверхности металла и соответственно положительный заряд раствора, что препятствует дальнейшему окислению металла.

Одновременно протекает и обратная реакция, т. е. восстановление ионов металла до атомов.

С повышением скачка потенциала между электродом и раствором скорость прямой реакции падает, а обратной реакции растет. При некотором значении электродного потенциала установится равновесие, т. е скорость прямой реакции станет равной скорости обратной реакции.

Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия называется равновесным электродным потенциалом.

Абсолютное значение равновесного электродного потенциала экспериментально измерить невозможно, можно определить только разность электродных потенциалов. Измеряют разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого условно принимается равным нулю.

Электрохимические процессы можно разделить на две основные группы:

- процессы превращения химической энергии в электрическую (гальванические элементы, аккумуляторы);

- процессы превращения электрической энергии в химическую (Электролиз).

Рассмотрим процессы, протекающие при погружении металлов в раствор собственных ионов. Согласно современным представлениям, в металле одновременно имеются: нейтральные атомы, ионы и свободные электроны. В узлах кристаллической металла решетки расположены ионы находящиеся в равновесии со свободными электронами:

При погружении металла в раствор начинается сложное взаимодействие металла с компонентами раствора. Наиболее важной является реакция поверхностных ионов металла, находящихся в узлах решетки, с полярными молекулами воды, ориентированными у поверхности электрода.

Любой металл хотя бы в ничтожной степени растворяется в воде, что обусловлено возрастанием энтропии при растворении (∆S>0).

Реакция между металлом и водой будет гетерогенной, поэтому будет протекать на границе раздела фаз.

Если металлическую пластинку погрузить в воду, то под действием полярных молекул воды ионы металла отрываются от кристаллической решетки металла, с его поверхности и гидротированными (окруженными дополнительными молекулами воды) переходят в жидкую фазу.

Me 0 + mH2O → Me (H2O) _m n + + n e -

В результате взаимодействия происходит окисление металла и его гидротированные ионы переходят в раствор, оставляя в металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами в металле.

Между металлами и раствором возникает разность потенциалов, которая называется электродным потенциалом или потенциалом электрода.

Me (H2O) _m n+ + n e - → Me 0 + mH2O

Таким образом, на границе металл-раствор возникает двойной электрический слой. С увеличением скачка потенциала между электродом и раствором скорость прямой реакции падает, а обратной растет. При некотором значении электродного потенциала скорость прямого процесса будет равна скорости обратного процесса, устанавливается равновесие:

Me 0 + mH2O ↔ Me (H2O) _m n+ + n e -

Для упрощения гидротационную воду обычно в уравнение реакции не включают и оно записывается в виде:

Me 0 ↔ Me n + + n e -

n – степень окисления металла.

Равновесие имеет динамический характер, процессы при равновесии идут с одинаковой скоростью в прямом и обратном направлениях. Потенциал, устанавливающийся в условиях равновесия электродной реакции, называется равновесным электродным потенциалом.

Абсолютное значение электродных потенциалов экспериментально определить невозможно. Однако, можно определить разность электродных потенциалов. Поэтому для характеристики электродных потенциалов пользуются относительными значениями электродных потенциалов. Для этого находят разность потенциалов измеряемого электрода и электрода, потенциал которого условно принимают равным нулю.

Если металлический электрод погрузить в раствор его соли, то процессы, протекающие на границе металл – раствор, будут аналогичны рассмотренным выше, отличие соединений лишь в том, что для достижения равновесия при образовании двойного электрического слоя требуется меньше растворения металла, так как частично ионы металла уже присутствуют в растворе его соли.

Очевидно, чем выше концентрация соли в растворе, тем меньшей должна быть величина скачка потенциала на границе металл – раствор. Таким образом, она зависит от: 1) температуры; 2) от соотношения между концентрациями этих веществ; 3) от природы металла, участвующих в электродном процессе.

Поэтому для сравнения электродных потенциалов необходимо выбрать : t=25 0 C=298K, P=101.3 кПа, активность иона равна 1 в растворе с концентрацией 1 моль/л.

Металл погрузить в раствор своих ионов (например, Zn в раствор ZnSO₄).

Если концентрация в растворе ZnSO₄ не велика, то образование двойного электрического слоя будет происходить так же, как и в случае растворения металла в воде. Если же концентрация ионов в растворе велика, то сначала будет наблюдаться осаждение катионов из поверхности металла, которая зарядится положительно.

Теперь поверхность металла будет притягивать к себе отрицательные ионы (в нашем примере SO₄ 2- ), и образуется двойной электрический слой с положительной обкладкой из металла и отрицательной – из растворенных анионов. Катионы будут осаждаться до тех пор, пока заряд на поверхности не достигнет такой величины, при которой дальнейшее осаждение станет невозможным из – за отталкивания одноименных зарядов металлов и его ионов.

Когда имеются два противоположно заряженных тела, говорят, что между ними существует разность потенциалов. Такая разность потенциалов устанавливается и здесь, в двойном электрическом слое, на границе металл – раствор. Перепад ионов из металла в раствор и обратно создает между ними разность потенциалов. Пару металл – раствор принято называть электродом.

Абсолютное значение электродных потенциалов экспериментально определить невозможно, так как введение любых измерительных зондов неизбежно приводит к появлению новой контактной разности потенциалов. В связи с этим измеряют разность потенциалов между данным электродо и некоторым электродом сравнения, потенциал которого условно принимают равным нулю.

В качестве стандартного электрода сравнения используют стандартный водородный электрод.

Стандартный водородный электрод

Водородный электрод представляет собой платиновую пластинку, покрытую тонким слоем рыхлой пористой платины (для увеличения поверхности электрода) и опущена в водный раствор H₂SO₄ с активностью ионов водорода равным 1 моль/л и при давлении равным 1(100 кПа).

Через раствор серной кислоты пропускают водород под атмосферным давлением 100 кПа. Часто поглощенного платиной водорода переходить в атомное состояние, поэтому в поверхностном слое платины устанавливается равновесие водорода с собственными катионами.

Абсолютное значение потенциала водородного электрода неизвестно, но его условно считают равным нулю. Это и есть потенциал водородного электрода.

Если из всего ряда стандартных электродных потенциалов выделить только те электродные процессы, которые отвечают общему уравнению:

Mt + n + n e - = Me 0

то получим ряд напряжения металлов. В этот ряд всегда помещают водород, что позволяет видеть какие металлы способны вытеснять водород из водных растворов кислот. Положение того или иного металла в ряду напряжений характеризует его способность к окислительно–восстановительным взаимодействиям в водных растворах при стандартных условиях. Ионы металлов являются окислителями, а металлы в виде простых веществ – восстановителями. При этом ,чем ближе металл к началу ряда, тем более сильные восстановительные свойства проявляет простое вещество – металл. Потенциал электродного процесса

2 H + + 2 e - ↔ H₂ 0

В нейтральной среде (рН=7) равен Ц 0 = -0,059•7=-0,41 В. Активные металлы в начале ряда, имеющие потенциал значительно больше, чем -0,41 В, вытесняют водород из воды. Металлы, расположенные между магнием и кадмием, обычно не вытесняют водород из воды. На поверхности этих металлов образуются оксидные пленки, обладающие замкнутым действием.

Металлы, расположенные между магнием и водородом, вытесняют водород из растворов кислот. При этом на поверхности некоторых металлов так же образуются защитные пленки, тормозящие реакцию. Так, оксидная пленка на алюминии делает этот металл делает этот метал стойким не только в воде, но и в растворах некоторых кислот. Свинец не растворяется в серной кислоте при ее концентрации ниже 80%, так как образующаяся при взаимодействии свинца с серной кислотой соль PbSO₄ нерастворима и создает на поверхности металла защитную пленку. Явление глубокого торможения окисления металла, обусловлено наличием на его поверхности оксидных и солевых пленок, называется пассивностью, а состояние металла при этом – пассивным состоянием.

Металлы способны вытеснять друг друга из растворов солей. Направление реакции определяется при этом их взаимным положением в ряду напряжений. Рассматривая конкретные случаи таких реакций, следует помнить, что активные металлы вытесняют водород не только из воды, но и из любого водного раствора. Поэтому взаимное вытеснение металлов из растворов их солей практически происходит лишь в случаях металлов, расположенных в ряду после магния.

Взаимное положение некоторых металлов в ряду напряжений и в периодической системе на первый взгляд не соответствует друг другу. Например, согласно положению в периодической системе химическая активность калия должна быть больше, чем натрия, а натрия — больше, чем лития.

В ряду же напряжений наиболее активным оказывается литий, а калий занимает среднее положение между литием и натрием. Цинк и медь по их положению в периодической системе должны иметь приблизительно равную химическую активность, но в ряду напряжений цинк расположен значительно раньше меди. Причина такого рода несоответствий состоит в следующем.

При сравнении металлов, занимающих то или иное положение в периодической системе, за меру их химической активности — восстановительной способности — принимается величина энергии ионизации свободных атомов.

Действительно, при переходе, например, сверху вниз по главной подгруппе I группы периодической системы энергия ионизации атомов уменьшается, что связано с увеличением их радиусов (т. е. с большим удалением внешних электронов от ядра) и с возрастающим экранированием положительного заряда ядра промежуточными электронными слоями. Поэтому атомы калия проявляют большую химическую активность—обладают более сильными восстановительными свойствами,—чем атомы натрия, а атомы натрия — большую активность, чем атомы лития.

При сравнении же металлов в ряду напряжений за меру химической активности принимается работа превращения металла, находящегося в твердом состоянии, в гидратированные ионы в водном растворе. Эту работу можно представить как сумму трех слагаемых: энергии атомизации — превращения кристалла металла в изолированные атомы, энергии ионизации свободных атомов металла и энергии гидратации образующихся ионов. Энергия атомизации характеризует прочность кристаллической решетки данного металла. Энергия ионизации атомов — отрыва от них валентных электронов — непосредственно определяется положением металла в периодической системе.

Энергия, выделяющаяся при гидратации, зависит от электронной структуры иона, его заряда и радиуса.

Ионы лития и калия, имеющие одинаковый заряд, но различные радиусы, будут создавать около себя неодинаковые электрические поля. Поле, возникающее вблизи маленьких ионоз лития, будет более сильным, чем поле около больших ионов калия. Отсюда ясно, что ионы лития будут гидратироваться с выделением большей энергии, чем ноны калия.

Таким образом, в ходе рассматриваемого превращения затрачивается энергия на атомизацию и ионизацию и выделяется энергия при гидратации. Чем меньше будет суммарная затрата энергии, тем легче будет осуществляться весь процесс и тем ближе к началу ряда напряжений будет располагаться данный металл. Но из трех слагаемых общего баланса энергии только одно — энергия ионизации—непосредственно определяется положением металла в периодической системе. Следовательно, нет оснований ожидать, что взаимное положение тех или иных металлов в ряду напряжений всегда будет соответствовать их положению в периодической системе. Так, для лития суммарная затрата энергии оказывается меньшей, чем для калия, в соответствии с чем литий стоит в ряду напряжений раньше калия.

Положение того или иного металла в ряду напряжений характерихует его способность к оксилительно – восстановительным взаимодействиям в водных растворах при стандартных условиях. Чем дальше расположен металл в ряду напряжений, тем более сильным окислителем в водном растворе являются его ионы, чем ближе металл к началу ряда, тем более сильные восстановительные свойства проявляет металл.

При сравнении металлов в ряду напряжений химической активности принимается работа превращений металла, находящегося в твердом состоянии, в гидратированные ионы в водном растворе.

Эту работу можно представить как сумму трех слогаемых:

- энергия атомизации – превращение кристалла металла в изолированные атомы;

- энергия ионизации свободных атомов металла;

- энергия гидротации образующихся ионов.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1) Металлы, обладающие более отрицательным электродным потенциалом, способны вытеснять менее активные металлы, с более положительным потенциалом, из водных растворов и их солей.

Чем левее находится металл в ряду напряжений, тем легче окисляется и тем труднее восстанавливаются его ионы. Чем более отрицательный электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

Zn 0 + CuCl₂ → Cu 0 + ZnCl₂

2) Каждый металл этого рода, не размягчающий воду, восстанавливает все последующие (вытесняет из растворов солей).

3) Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, вытесняют водород из разбавленных растворов кислот ( кроме HNO₃).

То есть все металлы левее водорода в электрохимическом ряду напряжения металлов действуют на катионы водорода как восстановители.

4) Чем дальше расположены друг от друга в ряду напряжения металлов, тем большую ЭДС будет иметь построенный на них элемент.

Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия обусловило необходимость создания новых материалов, обладающих высокой твердостью, прочностью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью. К таким материалам относятся высокопрочные и нержавеющие стали, жаропрочные сплавы, магнитные сплавы, твердые сплавы, полупроводники и др. Обработка таких материалов традиционными методами резания (см. Металлорежущие станки и инструмент) сопряжена с большими трудностями, а иногда и невозможна.
В этих условиях целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки.

Файлы: 1 файл

Введение.doc

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"

по дисциплине "Физико-химические основы технологических процессов"

на тему "Электрохимические методы обработки материалов"

студентки I курса ФММ

Проверил: Малафеев Ю.М.

Введение

В этих условиях целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки.

Их достоинства следующие:

1) механические нагрузки либо отсутствуют, либо настоль ко малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки;

2) позволяют изменять форму обрабатываемой поверхнос ти заготовки (детали);

3) позволяют влиять и даже изменять состояние поверхностного слоя детали;

4) не образуется наклеп обработанной поверхности;

5) дефектный слой не образуется;

6) удаляются прижоги поверхности, полученные при шл ифовании;

7) повышаются: износостойкость, коррозионная стойкость, прочность и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей электрофизическими и электрофизическими методами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов и их автоматизацию.

На обрабатываемость деталей такими методами (за исключением ультразвукового) не влияют твердость и вязкость материала детали.

Историческая справка.

В науке и технике …. разрушение контактов под действием электрических разрядов было известно давно. В частности, искровые и дуговые разряды возникают при разрыве или отключении электрических цепей. Электрической эрозии подвержены контакты реле, выключателей, рубильников и других подобных устройств. Электрическая эрозия – очень вредное явление, сокращающее срок службы и снижающее надежность электрических устройств. Много исследований было посвящено устранению, или хотя бы уменьшению такого разрушения контактов.

Над этой проблемой в годы Великой Отечественной войны работали ученые Б.Р.Лазаренко и Н.И.Лазаренко. За изобретение ЭЭО они были удостоены Государственной премии СССР. Позднее Б.Р.Лазаренко был избран академиком АН Молдавской ССР, где и работал до конца жизни (1910….1979 г.г.).

Большой вклад в развитие методов ЭЭО советские ученые и инженеры Б.Н.Золотых, А.Л.Лившиц, Л. С. Палатник, М. Ш.Отто и другие.

Разработка основ электрохимического метода и технологического его применения принадлежит талантливому ученому В.Н.Гусеву (1904…1956 г.г.). В 1929 г. он получил патент на ЭХО. Первые опыты по размерной электрохимической обработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. он получил патент на заточку сверл с вершинами из карбидов. В последующие годы, как самим Гусевым, так и другими учеными были разработаны различные варианты электрохимической технологии и созданы основы теории электрохимического метода.

Начальный период развития метода характеризуется тем, что наряду с его использованием в производстве (для получения профиля пера турбинных и компрессорных лопаток, ковочных штампов, пресс форм, кольцевых деталей, прошивки отверстий и щелей, заточки инструмента, удаления заусенцев и др.) происходило накопление экспериментальных и статических данных; делались попытки теоретических обобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечные результаты обработки.

Позже появилось стремление к выявлению основных зависимостей процесса, которые позволяют управлять процессом электрохимической обработки. Попытка обобщения накопленного материала в области теории и практики электрохимической обработки с учетом опыта отечественных и зарубежных заводов сделана в монографии И.И.Мороза и др.[4].

В настоящее время значительные успехи достигнуты в области моделирования электрических полей и решении задач формообразования поверхности при ЭХО, сделаны попытки аналитического расчета простых форм инструментов, обеспечивающих достаточно высокую точность изготовления отверстий и полостей. Созданы математические модели, учитывающие гидродинамику потока электролита, для определенной формы поверхности, получаемой при ЭХО, и методики определения погрешностей, припусков и качества обработки.

В области теории разработаны оригинальные методики прогнозирования обрабатываемости металлов и сплавов в условиях ЭХО.

Быстрое развитие технологически развитых отраслей промышленности (авиационной, ядерной и т.д.) сопровождалось повышением доли использования труднообрабатываемых сплавов. Характер металлообработки начинает изменяться. Традиционные способы резания металлов больше не соответствуют современным требованиям. Хотя скорость резания таких материалов, как низкоуглеродистая сталь, в результате успехов технологии станкостроения и режущих инструментов удваивается примерно каждые 10 лет, предельная прочность на разрыв материалов, которые можно обрабатывать, например, со скоростью 30 м / мин, удваивается примерно только каждые 50 лет. Кроме того, предельная прочность на разрыв используемых материалов, по-видимому, удваивается примерно каждые 20 лет. Следовательно, уже наблюдается упадок технологии металлообработки в некоторых отраслях промышленности.

Предпринимались попытки преодолеть трудности обработки труднообрабатываемых материалов путем горячей обработки, или путем применения абразивных методов или таких как У.З. обработка. Успех, однако был частичным. Необходимы методы, при которых скорость обработки не зависела бы от твердости детали.

Наметились два основных направления в решении данной проблемы: термические и химические методы обработки.

Термические методы обработки основаны на том, что путем концентрации энергии на маленьком участке детали материал можно расплавить и испарить. Энергия может подаваться в форме:

— теплоты — газопламенная или плазменная обработка;

— электронная бомбардировка — электронный луч и электрическая эрозия.

Из термических существует только один метод, который уже позволяет экономически выгодно удалять довольно большое количество металла с детали со значительной степенью точности: — это процесс электрической эрозии, который разрабатывается с 1940 г.

Однако скорость, с которой можно удалять металл электроискровым методом при условии высокого класса чистоты поверхности, ограничена, более того, высокая производительность процесса приводит к часто наблюдаемому повреждению поверхности, что делает этот способ во многих случаях непригодным. Следовательно, ни один из термических методов не решает полностью проблемы обработки высокопрочных металлов в широком масштабе.

Химические методы, кроме способов травления, включают электрохимическую обработку. Этот метод можно использовать для обработки особо твердых и вязких электропроводных материалов (не зависимо от твердости или прочности детали — скорость съема металла не меняется). При этом достигается:

— высокая скорость съема металла (более 1000 мм/мин);

— высокий класс точности;

— отсутствует износ инструмента;

— отсутствуют остаточные напряжения;

— отсутствуют повреждения материала детали;

— отсутствуют заусенцы на кромках реза.

К числу современных технологических процессов, получивших за последние 30…40 лет практическое применение, принадлежит ультразвуковая размерная обработка труднообрабатываемых материалов (кварц, керамика, фарфор, ферриты, кремний, германий, цветные поделочные и полудрагоценные камни). Сущность ультразвуковой размерной (абразивной) обработки твердых хрупких материалов состоит в направленном разрушении обрабатываемого материала под действием ударов абразивных зерен, находящихся между поверхностями материала и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой в продольном (осевом) направлении. Частота — 18…25 тыс. ударов в секунду. Число зерен, участвующих в резании — 30…100 тыс. на один квадратный сантиметр площади. Это разновидность механической обработки материалов. Ультразвуковые процессы основаны на использовании механических колебаний, распространяющихся в газах, жидкостях и твердых телах.

Бурное развитие квантовой электроники, в значительной мере обусловленное выдающимися достижениями научных школ академиков Н. Г. Басова и А. М. Прохорова, удостоенных совместно с американским ученым Ч. Таунсом Нобелевской премии, привело к созданию принципиально новых источников энергии — лазеров. Лазерное излучение характеризуется гигантской концентрацией энергии, сфокусированной на чрезвычайно малую площадь, теоретически соизмеримую с квадратом длины волны излучения.

Лазер – это генератор электромагнитных волн в диапазоне ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений. Начиная с конца 60-х годов прошлого столетия лазеры (небольшой мощности) получили первое применение в технологии обработки материалов (сначала в приборостроении). Большие потенциальные возможности заложены в применении процессов, осуществляемых с помощью импульсного нагружения — высоковольтный электрический разряд в жидкости — электрогидравлическая обработка. Впервые на разрушительную силу электрического разряда указано в 18 столетии (1767 … 1769 г.г.) .

Экспериментальное устройство того времени включало все основные элементы современной установки для осуществления импульсного разряда:

— конденсатор (лейденская банка);

— коммутирующий элемент (воздушный шаровой разрядник);

— электроды, погруженные в жидкость.

Опытная проверка промышленного испытания электрогидравлическо й обработки началась с середины 50-х годов и установила ряд преимуществ перед методами, использующими в качестве источника энергии – взрывчатые вещества в режиме взрывного химического превращения:

— возможность управления процессом накопления и выделения энергии;

— отсутствие источников повышенной опасности после отключения установки;

— простота и низкая себестоимость оснастки.

1). Формообразование и калибровка деталей из пространственных заготовок диаметром 200 … 1100 мм при высоте до 1100 мм и толщине до 5 мм и др.;

2). Очистка от окалины и неметаллических покрытий отл ивок из цветных и черных металлов весом от 1кг до 10 …15 т.

Большая роль в развитии технологии электрогидравлической обработки машиностроительных материалов принадлежит С. М. Поляку, Л. А. Юткину, К. Н. Богоявленскому, Б. Г.Красичковой и др. (Физико-технический институт АН БССР)

Электрохимическая обработка

Честь открытия новых способов обработки принадлежит русским и советским ученым. Известный русский химик Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс электролитического полирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плиту на время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения. Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшить зазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительно прокачивать через межэлектродный промежуток. Это было рождением нового вида обработки — размерной электрохимической обработки (ЭХО) – за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы войны результаты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до сего времени. В 1948г. была создана электрохимическая установка для изготовления отверстий в броневой стали. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток. Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И .Мороза, Л.Б. Дмитриева и др. [1,2,4].

Существует несколько основных схем электрохимической обработки.

1). Обработка с неподвижными электродами.

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы.

Читайте также: