История электротехники - Коллектив авторов

7.3.2. ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ

Электроимпульсную обработку давлением (электровзрывную обработку) применяют для формообразования и разделения заготовок, например для штамповки, гибки, чеканки, вытяжки, раздачи, дробления хрупких материалов, очистки крупных отливок от пригара, резки и развальцовки труб.

Известны две основные разновидности электровзрывного формообразования, отличающиеся способом создания ударной волны.

При высоковольтном разряде (электрогидравлическая обработка) используют электрогидравлический эффект, впервые примененный для технологических целей Л.А. Юткиным (1946 г.).

Рабочим веществом, как правило, служит техническая вода. Электрический разряд протекает в герметичной камере. В канале разряда происходит почти мгновенное испарение жидкости и образуется ударная волна. Силы, деформирующие заготовку, создаются главным образом ударной волной, а также высоким давлением в возникающем парогазовом пузыре. Энергия разряда может достигать десятков килоджоулей, а его длительность составляет несколько десятков микросекунд при токах до 50 кА и длине разрядного промежутка в несколько сантиметров. Скорость фронта ударной волны превышает скорость звука в воде и доходит до 3000 м/с. Максимальное давление в газовом пузыре доходит до 1∙1010 Па. Линейные размеры обрабатываемых листовых заготовок толщиной до 5 мм могут превышать 1 м.

При электрическом взрыве генератор электрического импульса (накопительный конденсатор) разряжается на проводник, состоящий из одной или нескольких проволок, фольги или сетки. Проводник располагают в диэлектрической жидкости. При протекании импульса тока большой силы проводник нагревается и происходит его взрывное испарение. Дальнейший механизм воздействия на обрабатываемую заготовку и параметры взрывной волны аналогичны рассмотренным выше.

Применяют еще одну разновидность электровзрывной обработки — электрический взрыв в вакууме, который используют для нанесения покрытий. Покрытия наносят на различные материалы (в том числе на керамику и стекло) без предварительного нагрева изделия. 

7.3.3. ПРОЧИЕ МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

К числу новых направлений электротехнологии относится применение сильных электрических полей для непосредственного воздействия на частицы диспергированных материалов с целью получения готового продукта. В нашей стране это направление получило название «эллектронно-ионная технология», а за рубежом — «промышленное применение электростатики».

В России первые установки электронно-ионной технологии появились в начале XX в. Это были электрофильтры небольшой производительности для очистки дымовых газов от золы. Заметное распространение электрофильтры получили в 20-х годах нашего столетия.

Интенсивное развитие различных направлений электронно-ионной технологии в СССР началось в 60-х годах и связано с именем академика В.И. Попкова, который объединил усилия известных ученых Е.М. Балабанова, И.П. Верещагина, С.П. Жебровского, В.И. Левитова, Н.Ф. Олофинского, работавших в различных областях техники по применению сильных электрических полей.

В настоящее время сформировались следующие основные направления использования сильных электрических полей в электротехнологии.

Электрогазоочистка — удаление из промышленных газовых выбросов взвешенных в них частиц пыли или золы за счет действия электрического поля на предварительно заряженные частицы.

Нанесение защитных и декоративных покрытий в электрическом поле — зарядка и организация под действием поля движения заряженных частиц краски или полимерного порошка в направлении окрашиваемой поверхности и равномерное распределение их по поверхности при осаждении.

Электросепарация — использование различия в физических свойствах частиц различных материалов для разделения их смеси в процессе зарядки и движения в электрическом поле.

Электропечать — использование избирательного осаждения частиц проявителя на фотополупроводящие слои, на которых формируется скрытое электростатическое изображение объекта.

Электрофлокирование — ориентация, зарядка и осаждение в электрическом поле на основу частиц волокнистых материалов с целью получения ворсовых покрытий, ковров и т.д.

В этих работах в 60–70-е годы принимали участие следующие организации: Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Московский энергетический институт и Научно-исследовательский институт очистки газов.

7.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

7.4.1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Создание первого источника тока — вольтова столба — привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической.

Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с помощью тока, полученного в вольтовом столбе. Образование осадков металлов при электролизе растворов солей было обнаружено в опытах, проводимых В. Никольсоном и А. Карлейлем, В. Крюйкшенком (Англия), В. Грюнером, В. Бекманом (Германия), Ш.Б. Дезормом (Франция) и И. Ганом (Швеция).

В 1807 г. X. Дэви (Англия) выделил натрий и калий электролизом расплавов.

В России В.В. Петров в 1802 г. создал самую мощную тогда батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных гальванических элементов, и с ее помощью осуществил исследования по электролизу воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также органических соединений.

В 1838 г. российский академик Б.С. Якоби сообщил о разработанном им методе получения копий с рельефных изделий электролизом, получившим название гальванопластики. Открытие Б.С. Якоби вызвало большой интерес. Так, в период с 1842 по 1844 г. в Петербурге было выпущено шесть книг в области гальванопластики, золочения и серебрения. Первой из них была книга А.Ф. Грекова (1842 г.) «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В 1844 г. князь В.Ф. Одоевский, писатель, композитор, критик написал книгу «Гальванизм в техническом применении». Уже в 1839 г. гальванопластика получила применение для печатания государственных бумаг и изготовления художественных изделий. Князь П.Р. Багратион изучал золочение из железосинеродистых электролитов. Академик Э.Х. Ленц изготавливал медальоны методом гальванопластики, а его сын Р.Э. Ленц изучал электроосаждение железа.

С 1844 г. метод Б.С. Якоби получает широкое применение для изготовления произведений искусства: статуй и барельефов для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора, Петропавловской крепости в г. Петербурге; медных копий фронтона Большого театра в Москве и др. В 1847 г. метод Б.С. Якоби получил в России второе практическое применение — электролитическое рафинирование меди. В 1867 г. Э.Г Федоровский предложил электрохимический метод получения бесшовных медных труб, в 1869 г. Е.И. Клейн — электролитический способ осаждения толстых слоев меди, нашедший применение при изготовлении государственных бумаг.

Широкое практическое использование электрохимическая технология получила после изобретения электромагнитных генераторов тока.

В настоящее время электролиз водных растворов и расплавов лежит в основе очень разветвленного направления техники — электрохимии, которая находится на стыке электротехники и химии.

К основным направлениям электрохимической технологии можно отнести:

электролитическое разложение воды;

получение хлора и щелочи;

электрохимический синтез соединений;

получение и рафинирование металлов;

гальванотехника;

анодное окисление и размерная обработка металлов.

7.4.2. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ (ЭЛЕКТРОЛИЗ) ВОДЫ

Всесторонние исследования электролиза воды провели русские ученые В.В. Петров (1802 г.), Ф.Ф. Рейс (1803 г.) и Ф. Гротгус (1805 г.).

Промышленный электролизер для получения водорода и кислорода впервые в мире был сконструирован в России Д.А. Лачиновым в 1888 г. Им были запатентованы монополярные и биполярные электролизеры, работающие как при нормальном, так и при повышенном давлении. В качестве электролита Д.А. Лачинов предлагал использовать раствор щелочи. Усовершенствованные щелочные электролизеры применяются в промышленности до сих пор.

В начале 70-х годов фирма «Дюпон» (США) разработала ионообменную мембрану «Нафион», имеющую высокую проводимость и стабильность. Фирма «Дженерал электрик» вскоре создала электролизер с этой мембраной, играющей роль твердого электролита (электролизер с твердополимерным электролитом). Расход энергии на получение водорода и кислорода в данном электролизере ниже, чем в электролизере с щелочным электролитом. Электролитический водород используется для охлаждения генераторов на электростанциях, для получения чистых металлов и полупроводниковых материалов, а также в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.