§ 11. 4. Використання електричної енергії в електрохімічному виробництві

У промисловості широко використовують електричний струм для електрохімічних методів обробки металів, в електрометалургії та ін.

Електричний струм у речовинах, які його проводять, являє собою рух позитивних і негативних іонів. Речовини, які проводять електричний струм, називаються електролітами.

Розподіл молекул електроліту на іони виникає внаслідок енергії теплової дії молекул. В електричному полі позитивні іони елек­троліту рухаються до катода, а негативні — до анода. Таким

чином в електролітах виникає електричний струм. При цьому змінюється хімічний склад розчину або розплаву, що зумовлено втратою або приєднанням електронів іонами. Це явище назива­ється електролізом.

При електролізі можуть виникнути різні явища: виділення з електроліту частин речовини та осідання їх на електродах (ка­тодний процес), розчинення поверхні металевого електрода, який під'єднаний до позитивного полюса і джерела струму (анодний процес), виділення газоподібного водню на поверхні катода, ви­ділення газоподібного кисню на поверхні анода.

Електроліз використовується в електрометалургії для вироб­ництва кольорових металів, у гальванопластиці, гальваностегії, електрохімічному травленні, електрохімічному шліфуванні та по­ліруванні, в електрохімічній розмінній обробці матеріалів.

Кольорові метали одержують за допомогою електролізу з солей та оксидів. Цей спосіб дає можливість одержувати метали з малою кількістю домішок. Тому його використовують для ви­робництва алюмінію, міді, нікелю. При цьому досягається високий ступінь хімічної чистоти металів.

Наприклад, алюміній одержують при розкладанні глинозему АЬ0₃. При електролізі на катоді виділяється алюміній, на аноді — кисень.

Номінальні значення напруги для одержання алюмінію скла­дають 4,2 — 4,5 В, а струм досягає 250 кА.

Оскільки процес одержання алюмінію потребує великих затрат електроенергії, то для цього використовують потужні випрямляючі агрегати, які складаються із спеціального знижувального транс­форматора, випрямляючого блока, високовольтного вимикача, апаратів для керування, захисту і сигналізації. Живлення випря­мляючих агрегатів здійснюється від заводської мережі напругою 10 кВ, 35 кВ.

Очищення (рафінування) міді виконують за допомогою елек­тролізу, занурюючи мідну пластину з домішками в розчин CuS0₄, де вона служить анодом. Добираючи визначене значення напруги на електродах ванни (0,2 — 0,25 В), домагаються того, щоб на катоді виділялася тільки чиста мідь. Домішки при цьому пере­ходять у розчин (без виділення на катоді) або випадають на дно ванни як осад.

Гальванопластика — це процес електрохімічного осаджування металів на поверхні металевих і неметалевих виробів. Викорис­товується для одержання тонких копій виробів — гальванокопій. Цим способом виконують точні копії друкарських кліше, музичних платівок. Для цього з виробу знімають відбиток — зворотне зображення, яке називається матрицею. Матриці можуть бути металевими (із свинцю, міді) і неметалевими (з воску, гіпсу, дерева, пластмаси).

Для забезпечення електропровідності поверхні неметалевих ма­триць їх покривають тонким шаром металевого порошку, графіту, або накладають алюмінієву фольгу. Після цього матрицю розмі-

шують у гальванічній ванні й отримують тонку порожнисту копію виробу.

Якщо форми виробу складні, його ділять на частини і для кожної частини виготовляють матрицю й копію. Наприклад, це необхідно при виготовленні статуй. Потім окремі копії з'єднують з допомогою паяння.

Гальваностегія — це процес електрохімічного осаджування ме­талу на металеві вироби для підвищення їхньої корозійної стій­кості, механічної міцності або для декоративних цілей. До процесів гальваностегії входять хромування, нікелювання, покриття по­верхні цинком, оловом, свинцем, сріблом, золотом.

Ванни для гальваностегії виготовляють із сталі, а при вико­ристанні кислих розчинів їх ізолюють пластмасами або спеціаль­ними лаками. До катодних шин 2 (рис. 11.13) закріплюють підвіски, на які підвішують вироби 3. Анодні шини / (електроди) виготовляють у вигляді штаб із металу, який осаджується на катоді. Наприклад, при нікелюванні анодні шини виготовляють з нікелю.

Ванни для гальваностегії живлять від генераторів постійного струму або від напівпровідникових перетворювачів. Струм у ванні регулюється в широких межах залежно від розмірів деталі і параметрів самого процесу. Напруга на електродах складає 6 — 24 В.

Електрохімічне травлення використовують для зняття з поверхні виробів іржі, оксидів, залишків металу (задирок), заокруглення кромок. Після травлення поверхня металу шорстка.

Електрохімічне шліфування та полірування (рис. 11.14) призна­чене для розчинення всіх виступів на поверхні металу. Після такої електрохімічної обробки поверхня металу стає рівною і набуває дзеркального блиску.

Шліфування та полірування поверхні металу здійснюється вна­слідок того, що у заглибленнях поверхні, яка обробляється, накопичуються продукти розчинення. Вони мають великий елек­тричний опір, а тому щільність струму в них зменшується.

Рис. 11.13. Схема гальваностегічної ван- Рис. 11.14. Схема електрохімічного шлі-

ни. фування (або полірування):

1— анодна шина; 2 — катодна шина; 1 — катод; 2 — деталь; З — електроліт.

З — виріб; 4 — електроліт.

Рис. 11.15. Схеми електрохімічної розмірної обробки:

а — виготовлення прес-форм; б— маркування або клеймування деталей;

1 — катод-інструмент; 2 — анод-заготовка.

На виступах концентрується електричне поле, і щільність струму значно вища, ніж у заглибленнях. Таким чином поверхня металу вирівнюється.

Електрохімічна розмірна обробка металу призначена для на­дання заготовці потрібної форми і розмірів з допомогою елек-трода-інструмента. При електрохімічній розмірній обробці анод-заготовка 2 (рис. 11.15) розчиняється вибірково, залежно від форми катода-інструмента /. При зменшенні відстані між като-дом-інструментом та анодом-заготовкою і прокачування між ними з великою швидкістю електроліту заготовка розчиняється відпо­відно до форми інструмента. Катод-інструмент може бути неру­хомим, що використовується під час клеймування або маркування деталей (рис. 11.15, б).

Обертаючий катод-інструмент виконує операції, подібні до механічних операцій точіння, шліфування, різання, свердління. Під час цих процесів відсутній контакт між інструментом та заготовкою, тому інструмент не спрацьовується і його можна виготовити з м'якого струмопровідного матеріалу.

Отже, електрохімічну розмірну обробку можна використовувати для:

виготовлення прес-форм, штампів з матеріалів, які механічно важко обробляються;

маркування, нанесення знаків на вироби;

прошивання отворів різної конфігурації (прямокутних, фасон­них, круглих та ін.);

розрізування деталей, які важко обробляються механічними способами;

загострювання ріжучого інструменту з твердих сплавів та ін.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Поясніть фізичну суть процесів, що відбуваються під час дугового і контактного зварювання.

2. Що називається статичною вольт-амперною характеристикою дуги?

3. Що називається зовнішньою характеристикою джерел живлення?

4. Коли система джерело — дуга буде у сталому стані?

5. Як класифікують джерела живлення?

6. У чому подібність та відмінність зварювальних і силових транс­форматорів?

7. На якому принципі ґрунтується будова зварювальних трансфор­маторів з нормальним та підвищеним магнітним розсіюванням?

8. Поясніть будову і принцип дії зварювальних генераторів.

9. Поясніть будову і принцип дії зварювальних випрямлячів.

10. Які апарати використовують для полегшення запалювання дуги та в чому полягає їхній принцип дії?

11. Охарактеризуйте основні елементи освітлювальних електроуста­новок.

12. На які види поділяється електричне освітлення?

13. Розкажіть про основні світлові величини.

14. Дайте порівняльну характеристику основних електричних джерел світла.

15. Якими способами виконується керування освітленням?

16. Які матеріали використовують у нагрівальних елементах?

17. Дайте порівняльну характеристику нагрівальних елементів від­критого і закритого типу.

18. У чому сутність індукційного та надвисокочастотного нагрівання?

Розділ IV ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКА

12. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОБЕЗПЕКУ