Исследование тепловых потоков из парогазовой оболочки при электролитно-плазменной обработке

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Костромской государственный университет»

Институт физико-математических и естественных наук

Кафедра физики

03.04.02 Физика








Исследование тепловых потоков из парогазовой оболочки при электролитно-плазменной обработке в электролитах с бор содержащими компонентами




Выпускная квалификационная работа








Исполнитель _______________
_____________________
(подпись)
(Ф.И.О., группа)
Руководитель _______________
_____________________
(подпись)
(Ф.И.О.)










Кострома


2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..3

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНОДНОЙ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ …………………………………..5

1.1. Процесс электролитно-плазменной обработки металлов………………….5

1.2. Образование парогазовой оболочки………………………………………...7

1.3. Источники тепла в парогазовой оболочке………………………………….8

1.4. Теплофизические особенности анодного нагрева………………………..10

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНОДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО………….…………..…..11
2.1. Методика определения вводимой тепловой мощности…..........................11

2.2. Методика определения теплового потока в электролит………………….11

2.3. Методика определения теплового потока в анод…………………………12

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ДАННЫХ………………………………………………………………………...13

3.1. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония…………………………………………………………………………..13

3.2. Анализ экспериментальных данных с концентрацией хлорида аммония и борной кислоты…………………………………………………………………..17

3.3. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, аммиака и борной кислоты……………………………………………………...21

3.4. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, глицерина и борной кислоты…………………………………………………....25

3.5. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, карбамида и борной кислоты……………………………………..…29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….33

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………







2

Введение

      Электролитно-плазменная обработка (ЭПО) осуществляется в системе металлическая деталь (анод) – парогазовая оболочка (ПГО) – раствор электролита (например, хлорид аммония ? 4    ), в которой центральным элементом является парогазовая оболочка, представляющая собой нагревающую и насыщающую среду. В парогазовой оболочке выделяется энергия, которая поступает в обрабатываемое изделие, а потом в электролит и затем за счет испарения электролита в окружающую среду.

      Основное большинство электролитов применяемых для электролитно-плазменной обработки металлов, являются многокомпонентными с содержанием различных компонентов, в нашем случае будет уделено внимание такому компоненту, как борная кислота. Таким образом, влияние их состава на закономерности теплообмена существенно не только для оптимальных режимов электролитно-плазменной обработки, но и позволяет получить новые данные о механизме явления.

      Проблема магистерской диссертации: теплофизика анодной электролитно-плазменной обработки.

      Актуальность исследования: необходимость разработки теплофизический модели электролитно-плазменной обработки для повышения ее эффективности.

      Цель исследования: исследовать тепловые потоки из парогазовой оболочки при электролитно-плазменной обработке в электролитах с бор содержащими компонентами.
Объект исследования: система анод ? ПГО ? электролит.

Предмет исследования: тепловые потоки из парогазовой оболочки.

         Гипотеза: состав электролита определяет распределение энергии в парогазовой оболочке, что следует учитывать при выборе электролита для химико ? термической обработке при анодном электролитном нагреве.

      Задача исследования: изучить распределение энергии в парогазовой оболочке при анодном электролитном нагреве.
3

Методы исследования:

1. Измерения температур охлаждающей воды на входе и выходе из рабочей камеры.

2. Измерение массы электролита.

3. Измерение распределения температур в образце-аноде и определение теплового потока в него на основе решения обратной теплофизический задачи.

Базаисследования:научно-исследовательскаялаборатория

электролитно-плазменных	технологий	обработки	материалов	института

физико-математических	и	естественных	наук	Костромского

государственного университета.














































4

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНОДНОЙ ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ


1.1.  Процесс электролитно-плазменной обработки металлов

      Свечение и нагрев электродов с малой поверхностью (анода или катода) в электрохимической ячейке, т. е. при высоких плотностях тока, были обнаружены еще в в. Первые объяснения этого явления принадлежат Н. Слугинову [31-33], который обнаружил два вида свечения при погружении платиновой проволочки в электролит. В одном случае свечение сопровождается шумом и треском, ток прерывистый. В другом случае ток непрерывный, свечение ярче, если проволочка является катодом, электрод окружается пузырем. В образовании пузыря автор справедливо усмотрел аналогию с пленочным кипением, предполагая, что свечение вызвано электрическим разрядом типа дугового. Профессор Казанского университета Р. Колли обнаружил прерывистый характер свечения, изучая его с помощью вращающегося зеркала [34]. По его мнению, прерывания свидетельствовали в пользу искрового разряда, а не дугового.

      Работами В. Венельта, А. Фоллера, В. Вальтера и Г. Симона ?35? было установлено, что тепловое действие тока приводит к локальному вскипанию раствора в окрестности электрода с малой поверхностью, называемого активным. Поверхность электрода покрывается паром, и электрическая цепь размыкается. Наличие в цепи индуктивности приводит к возникновению электродвижущей силы (э.д.с.) индукции и пробою парового слоя со световыми явлениями.

     В настоящее время для электролитно-плазменной обработки металлов применяется анодный и катодный нагрев. Применение катодного нагрева металлов и сплавов в электролите для их закалки было запатентовано в Англии ?36?, для сварки и закалки – в Германии ?37?. Промышленное использование катодного электролитного нагрева осуществил лауреат
Сталинской премии И. З. Ясногородский ?38?, который установил основные

5

режимы прохождения тока через электролитическую ячейку, когда активный электрод является катодом (рис. 1) ?39?.
























     При относительно небольших напряжениях зависимость тока от напряжения линейна и описывает обычный процесс электролиза (участок AB). При некотором напряжении, соответствующем точке B, наступает режим прерываний тока (участок BC) и наблюдается свечение в приэлектродной зоне: происходит временное оттеснение электролита от катода образовавшейся парогазовой оболочкой; затем эта оболочка конденсируется, контакт электролита с катодом восстанавливается и процесс повторяется; при неизменных условиях частота прерываний стабильна. На участке CD оболочка устойчива, и температура катода быстро возрастет.

     Выделение тепла в катодной оболочке Ясногородский объяснял прохождением через нее электрического тока в виде искровых разрядов ?40?. Важная роль в образовании парогазовой оболочки отводилась электролизным пузырькам водорода ?38?, однако в дальнейшем эта роль не подтвердилась.


     При катодном нагреве в электролите тлеющий разряд более устойчив. Образование положительного столба сопровождается бурным испарением электролита в месте контакта, что удлиняет промежуток электролит – электрод ?41?. Впоследствии спектральный анализ катодного свечения в

6

водных растворах ряда неорганических соединений позволил обнаружить линии материала катода, кислорода, водорода и некоторых ионов раствора, что подтвердило наличие процессов ионизации и возбуждения в парогазовой оболочке ?42, 43?. По этой причине нагревающая среда получила название электролитной плазмы [44].

     С 1930-х г. катодный вариант электролитного нагрева стал использоваться в промышленности СССР, в Японии – с 1955 г. Начиная с

1980-х г., получило развитие анодное химико-термическое упрочнение металлов и сплавов. Современная российская классификация относит оба варианта электролитного нагрева к электрохимической обработке металлов ?45?. В англоязычных и франкоязычных публикациях явления анодного или катодного нагрева называлось анодным или катодным эффектом. С конца 1990-х годов в большинстве международных журналов процессы нагрева в водных электролитах стали связывать с наличием электролитной или электролизной плазмы [46]. Появился значительный массив исследований и разработок, который будет отражен в предлагаемой монографии.


1.2. Образование парогазовой оболочки

      Общепринято, что причиной образования приэлектродной оболочки является локализация выделения тепла у электрода с меньшей поверхностью независимо от его полярности. Отмечается, что в терминологии процесса имеется определенный разнобой: упомянутую оболочку называют, газовой, паровой или парогазовой.

      При подаче напряжения в диапазоне 100-300 В на электрохимическую ячейку при условии, что поверхность анода в несколько раз меньше поверхности катода, вокруг анода происходит локальное вскипание жидкости за счет выделения джоулева тепла. Образующаяся парогазовая оболочка предотвращает контакт металла обрабатываемой детали с электролитом, а также обладает максимальным удельным электрическим сопротивлением в системе, поэтому становится нагревательным элементом.
7

Таким образом, с точки зрения теплофизики процесс является аналогом пленочного кипения. Большая часть выделяющейся в оболочке энергии расходуется на нагрев электролита, поэтому в установках используются схемы с принудительной циркуляцией электролита через теплообменник. Тепловой поток в анод согласно различным оценкам не превышает 15 %, однако такого количества теплоты достаточно для разогрева детали до температуры в диапазоне 400–1100 °C. Отключение напряжения в системе позволяет производить закалку сталей в электролит. Согласно изученным экспериментальным данным, при времени обработки детали 1 мин при температуре 750–800 °C получаемые механические свойства сопоставимы со свойствами при классической термической обработке – 60 HRC.




1.3. Источники тепла в парогазовой оболочке

       Известна модель прианодной зоны, в которой источником тепла считается оксидный слой на поверхности анода толщиной 100–700 мкм [1]. На основе этой модели рассчитано нестационарное распределение температуры в оксидном слое при следующих условиях. Начальная температура слоя предполагается постоянной и равной 0. Температура слоя на границе с металлическим анодом также постоянна и равна 0. На границе слоя с парогазовой оболочкой имеет место конвективный теплообмен.

     Коэффициент теплоотдачи считается зависящим от пульсации оболочки и представляет собой переменную величину. Численное решение уравнения теплопроводности позволило оценить влияние амплитуды и частоты пульсаций оболочки на распределение температуры в анодном оксидном слое. Расчет не предусматривал определения температуры нагреваемой детали и ее зависимости от режимов обработки и свойств электролита. Однако в условиях реального нагрева оксидные слои указанной выше толщины образуются лишь при нагреве в электролитах, содержащих вольфрам, молибден, титан или ванадий [2]. Нагрев сталей в растворах для
8

азотирования или цементации сопровождается образованием оксидных пленок толщиной до 10 мкм, поэтому для важнейших вариантов термической или химико-термической обработки эта модель недостаточно реалистична. Отмечается, тем не менее, что лишь в работе [1] учитываются зарегистрированные ранее пульсации оболочки и их влияние на параметры теплообмена.

      Далее будет рассматриваться трёхфазная система, содержащая парогазовую оболочку, отделяющую металлический анод от водного раствора электролита (рис.1). В этой оболочке выделяется тепло, обусловленное прохождением электрического тока. Здесь обозначены ? плотность теплового потока, направленного из оболочки в раствор электролита, ? плотность теплового потока, расходуемого на испарение электролита, и ? плотность теплового потока, направленного из оболочки в анод. Баланс тепла в системе определяет вольтамперные и вольт– температурные характеристики анодного нагрева, с которыми связаны режимы электрохимико ? термического упрочнения металлов и сплавов.















Рисунок 1. Схема тепловых потоков в анодной парогазовой оболочке


     Для удовлетворительного выяснения характера проводимости анодной парогазовой оболочки необходимо, прежде всего, получить плёночное кипение в электролите с надёжно стабилизированной температурой, желательно ниже 30 ?. Такие условия необходимы для сравнения с многочисленными опубликованными данными [3].




9

1.4. Теплофизические особенности анодного нагрева.

      В водных электролитах анодный нагрев имеет ряд особенностей. Парогазовая оболочка в системе располагается вокруг детали и является

«нагревательным элементом», по причине того, что основные источники тепла располагаются в ней. Поскольку толщина оболочки маленькая (~ 10-5 м) проявляется небольшая инертность детали, что способствует быстрому увеличению температуры образца и ее изменению за счет приложенного

напряжения. Температура детали и напряжение существенно зависят друг от

друга.	Величина	температуры	зависит	от	величины	детали,

электропроводности раствора и скорости нагрева [47].

Разогрев анода (обрабатываемой детали) определяется прохождением

через	раствор	электролита	силы	тока.	Данный	процесс,	возможно,

представить в виде вольт-амперной характеристики электрохимической ячейки, дающий возможность конкретно разграничить различные явления или, по-другому изъясняясь, разнообразные режимы проводимости.

Энергия, которая выделяется в объеме раствора в результате прохождения сквозь него электрического тока, является критическим параметром, посредством которого происходит ограничение область электролиза сверху. Значительная разница в размерах у электродов приводит к локализации вырабатываемой энергии у электрода с наименьшей поверхностью (в нашем случае – анод), то есть к разогреву и закипанию раствора в прианодном слое, так как именно в нём располагается самая высокая плотность тока.



















10

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНОДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТНОГО НАГРЕВА


2.1. Методика определения вводимой тепловой мощности.

      Вводимая в систему мощность определялась как произведение напряжения на электролитической ячейке на силу тока в ней. Напряжение фиксировалось осциллографом АКИП 4901/2 на делителе (рис 1). Сила тока определялась на основании измерения напряжения на шунтирующем резисторе Ш (рис 2.) с помощью цифрового осциллографа, сила тока находилась по закону Ома. Данные, записанные осциллографом, усреднялись по времени (время записи данных 12 секунд). Таким образом, определялось

среднее значение вводимой мощности в систему анод ? электролит ? парогазовая оболочка.
















Рисунок 2. Электрическая схема. Ш = 0,22 Ом ? шунтирующий резистор, = 100 кОм ? делитель напряжения, = 2000 мкФ ? конденсатора.



2.2 Методика определения теплового потока в электролит.

      Плотность теплового потока из парогазовой оболочки в раствор должна превышать минимальные значения, обеспечивающие устойчивость поверхности раздела оболочка – электролит. Таковой является плотность второго критического теплового потока кр2, составляющая примерно 0,2 от первого критического теплового потока по данным [4]. Теплофизические параметры водных растворов, применяемых для анодного нагрева, почти не


11

отличаются от параметров воды, расчет второго критического теплового потока по известным формулам дает численные значение порядка 1 МВт/м2.

В данном эксперименте тепловой поток в электролит определялся по формуле:
=      ?  ,
(1.1)

        где = 4200 ? удельная теплоемкость воды Дж/КГ ? К, ?   ? время, = 1000 кг/м3, ? объемный расход охлаждающей жидкости.


2.3. Методика определения теплового потока в анод

      Для определения теплового потока в анод решалась обратная теплофизическая задача, решение которой подробно изложена в [36]. Авторы статьи использовали решение обратной задачи теплопроводности с применением регуляризирующего оператора, предложенного Тихоновым. Для упрощения математического описания задачи авторы принимали, что тепло распространяется только вдоль нагреваемой детали. Решение обратной задачи позволило получить систему линейных алгебраических уравнений с симметричной положительно определенной матрицей:

(  ?  +  ?  ) ?  =   ?  +  ,
(1.2)

    (  , ?  )
   ,  =  ( , ),  ? расстояние от торца до точки

где    = ?0









измерения температуры детали, ? матрица, ? вектор, определяемый граничными условиями, ? параметр регуляризации, ? температура.

      Система уравнений и соответствующие матрицы вводились в программу Mathcad и в дальнейшем все экспериментальные данные обрабатывались в этой среде.













12

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ


      3.1. Анализ экспериментальный данных с концентрациями хлорида аммония.

      В результате проведенных экспериментов были получены зависимости силы тока от напряжения нагрева для различных концентраций хлорида аммония (рис.3.1). На графике видно, что для всех концентрации хлорида аммония вольтамперная характеристика анодного нагрева является убывающей; увеличение концентрации приводит к снижению тока в ячейке.



























Рис.3.1 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

      Рассмотрим график зависимости температуры анода от напряжения при различных концентрациях. Из графика (рис. 3.2) видно, что все вольт-температурные характеристики (ВТХ) являются возрастающими, при этом для 15%-ого электролита наблюдается максимумами. Например, при концентрации 5% максимальная температура достигает значения 720 °С, при концентрации 10% температура равна 820 °С.



13
























Рис.3.2 Вольт-температурная характеристика (ВТХ) нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

      Рассмотрим график зависимости вводимой мощности от напряжения. Из графика (рис. 3.3) следует, что при увеличении напряжения мощность линейно возрастает. Например, можно заметить, что вводимая в

парогазовую оболочку (ПГО) мощность для электролита с концентрациями хлорида аммония 5%, 10% , 15% при увеличении напряжения нагрева с 130 В до 260 В возрастает от 1400 Вт/см2 до 2200 Вт/см2.

























Рис.3.3 Зависимость вводимой плотности теплового потока от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

14

      Рассмотрим график зависимости теплового потока от напряжения (рис. 3.4). По графику видно, что при увеличении напряжения тепловой поток в электролит линейно возрастает. Например, для хлорида аммония с концентрациями 5%, 10%, 15% увеличение напряжения с 130 В до 260 В приводит к росту теплового потока в электролит с 1300 Вт/см2 почти до 2000 Вт/см2.






























Рис.3.4 Зависимость плотности теплового потока в электролит от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

      Рассмотрим зависимость плотности теплового потока в анод в водных растворах хлорида аммония (рис. 3.5). Из графика видно, что при увеличении напряжения тепловой поток в анод, также линейно возрастает, но при концентрации хлорида аммония 15%, мы видим, что тепловой поток достигает максимума при напряжении от 220 ? и постепенно начинает, снижается, при увеличении напряжения.










15




























Рис.3.5 Зависимость плотности теплового потока в анод от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

      Из графика (рис. 3.6) видно, что зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония является возрастающей до максимального напряжения в 260 В.




























Рис.3.6 Зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 5%, 10%, 15%).

16

      3.2. Анализ экспериментальный данных с концентрацией хлорида аммония и борной кислоты.

      Теперь рассмотрим графики зависимостей хлорида аммония с добавлением борной кислоты. На графике (рис. 4.1), что при добавлении борной кислоты в концентрацию хлорида аммония вольтамперная характеристика анодного нагрева не изменяется.

































Рис.4.1 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением борной кислоты (1%, 2%, 3%).


      На графике (рис.4.2) зависимости температуры анода от напряжения, можно заметить изменение температуры только тогда, когда в хлорид аммония добавляется борная кислота 3%, а при остальных добавках борной кислоты изменения не происходят.









17

































Рис.4.2 Вольт-температурная характеристика (ВТХ) нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением борной кислоты (1%, 2%, 3%).


      Ниже приведены графики различных зависимостей таких как, график зависимости вводимой плотности теплового потока от напряжения (рис. 4.3), график зависимости вводимой плотности теплового потока от напряжения (рис. 4.4), график зависимости плотности теплового потока в анод от напряжения (рис 4.5) и график зависимости теплового потока в атмосферу от напряжения (рис 4.6).

















18






























Рис.4.3  Зависимость  вводимой  плотности  теплового  потока  от  напряжения  в  водных
растворах	хлорида	аммония	(	4	? 10%)	с	добавлением	борной	кислоты
(1%, 2%, 3%).





























Рис.4.4 Зависимость плотности теплового потока в электролит от напряжения в водных
растворах	хлорида	аммония	(	4	? 10%)	с	добавлением	борной	кислоты
(1%, 2%, 3%).

19

























Рис.4.5	Зависимость

растворах	хлорида


























плотности

аммония


























теплового	потока

(	4	? 10%)


























в анод от напряжения с добавлением борной


























в  водных кислоты


(1%, 2%, 3%).



























Рис.4.6 Зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением борной кислоты (1%, 2%, 3%).

      На данных графиках можно видеть, что влияние при добавлении борной кислоты в водный раствор хлорида аммония в концентрациях до 3% на ВАХ, ВТХ и потоки из ПГО не выявлено. В связи с этим все дальнейшие эксперименты проводились на концентрации борной кислоты 3%

20

      3.3. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, аммиака и борной кислоты.

      Далее будем рассматривать различные графики зависимостей с концентрациями хлорида аммония, аммиака и борной кислоты. На графике (рис.5.1) видно, что добавление борной кислоты в концентрацию хлорида аммония и аммиака, влияет на вольтамперную характеристику анодного нагрева, и она является убывающей, при увеличении напряжения.
































Рис.5.1 Вольт-амперная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).


       По графику зависимости температуры анода от напряжения (рис.5.2) можно сделать вывод, что добавление борной кислоты не влияет на вольт-температурные характеристики (ВТХ), они являются возрастающими и имеют максимальную температуру 650 ?.








21























Рис.5.2 Вольт-температурная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).

      Рассматривая график (рис 5.3) можно сделать вывод, что при увеличении напряжения мощность линейно возрастает. Например, можно заметить, что вводимая в ПГО мощность, для водного раствора хлорида аммония 10% и аммиака 10% с добавлением борной кислоты 3%, при увеличении напряжения нагрева с 140 В до 260 В убывает.


























Рис.5.3 Зависимость вводимой плотности теплового потока от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).

22

      Рассмотрим график зависимости теплового потока от напряжения (рис. 5.4). По графику видно, что при увеличении напряжения, тепловой поток от электролита линейно возрастает. Так же из данных следует, что добавление борной кислоты в электролит приводит к снижению теплового потока от электролита.






















Рис.5.4 Зависимость плотности теплового потока в электролит от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).


























Рис.5.5 Зависимость плотности теплового потока в анод от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).

23



























Рис.5.6 Зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением аммиака ( 3 ? 10%) и борной кислоты (3%).






































24

      3.4. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, глицерина и борной кислоты.

      На графике (6.1) видно, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) анодного нагрева является убывающей, добавление борной кислоты в данную концентрацию на данные характеристики не влияет.



























Рис.6.1 Вольт-амперная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты (3%).

      Рассмотрим график зависимости температуры анода от напряжения при добавлении борной кислоты (рис. 6.2) Из графика видно, что все вольт-температурные характеристики обладают ярко выраженными максимумами. Следует отметить, что добавление борной кислоты в электролит не приводит к изменению данных характеристик.

















25






















Рис.6.2 Вольт-температурная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты (3%).

      Рассмотрим график зависимости вводимой мощности от напряжения. Из графика (рис. 6.3) следует, что при увеличении напряжения мощность линейно возрастает. Например, можно заметить, что вводимая в

ПГО мощность, для водного раствора хлорида аммония 10% и глицерина 10% с добавлением борной кислоты 3%, при увеличении напряжения нагрева с 140 В до 260 В возрастает.

























Рис.6.3 Зависимость вводимой плотности теплового потока от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты (3%).

26

      Рассмотрим график зависимости теплового потока от напряжения (рис. 6.4). По графику видно, что при увеличении напряжения, тепловой поток от электролита линейно возрастает. Так же из данных следует, что добавление борной кислоты в электролит приводит к снижению теплового потока от электролита.


























Рис.6.4 Зависимость плотности теплового потока в электролит от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты (3%).























Рис.6.5 Зависимость плотности теплового потока в анод от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты (3%).

27



























Рис.6.6 Зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением глицерина (10%) и борной кислоты

(3%).

      На основе данных графиков можно сделать, что при данной концентрации идет сильное растворение образца, вследствие чего сильно падает ток в системе и отсутствует увеличение вводимой мощности с увеличением напряжения.




























28

      3.5. Анализ экспериментальных данных с концентрациями хлорида аммония, карбамида и борной кислоты.

      На графике (7.1) видно, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) анодного нагрева является убывающей, добавление борной кислоты в данную концентрацию на данные характеристики не влияет.



























Рис.7.1 Вольт-амперная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты (3%).


      Рассмотрим график зависимости температуры анода от напряжения при добавлении борной кислоты (рис. 6.2) Из графика видно, что все вольт-температурные характеристики обладают ярко выраженными максимумами, но когда повышается напряжение свыше 220 ?, то происходит быстрое испарение электролита, что приводит к снижению температуры анода. Следует отметить, что добавление борной кислоты в электролит приводит к увеличению температуры анода.











29























Рис.7.2 Вольт-температурная характеристика нагрева образца в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты (3%).
































Рис.7.3 Зависимость вводимой плотности теплового потока от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты (3%).







30


























Рис.7.4 Зависимость плотности теплового потока в электролит от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты (3%).


































Рис.7.5 Зависимость плотности теплового потока в анод от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты (3%).

31































Рис.7.6 Зависимость теплового потока в атмосферу от напряжения в водных растворах хлорида аммония ( 4 ? 10%) с добавлением карбамида (10%) и борной кислоты

(3%).


































32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ






































































33

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

      1. Дураджи В.Н., Форня Г.А. О распределении температуры в поверхностном слое на активном электроде при нагреве в электролитной плазме // Электронная обработка материалов. – 1988. – № 2. – С. 54–57.

      2. Дураджи В.Н., Парсаданян А.С. Нагрев металлов в электролитной плазме. – Кишинев: Штиинца, 1988. – 216 с.

      3. Белкин П. Н. Теплофизические особенности анодного нагрева в водных электролитах // Материалы II Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролитно-плазменные методы

модификации	металлических	поверхностей».	Кострома:	КГУ	им.

Н. А. Некрасова; М.: ИЦ «МАТИ»–РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2007. – С. 175– 189.

      4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергоиздат, 1981. – С. 278.

      5. Белкин П.Н., Пасинковский Е.А., Факторович А. О распределении температуры в стальном аноде при его нагреве электролитной плазмой // Известия АН МССР, сер. физ.-техн. и мат. наук. – 1977 – №1. – С. 82–84.

      6. Дураджи В.Н., Брянцев И.В. Распределение температуры при нагреве металлов электролитной плазмой // Электронная обработка материалов. – 1978. – №2. – С. 53–56.

      7. Белкин П.Н., Ганчар В.И., Товарков А.К. Теплообмен между анодом и парогазовой оболочкой при электролитном нагреве // Инженерно-

физический журнал. – 1986 – т. 51. – № 1. – С. 154-155.

      8. Лазаренко Б.Р., Фурсов С. П., Факторович А. А., Галанина Е. К., Дураджи В. Н. Коммутация тока на границе металл – электролит. – Кишинев: РИО АН МССР, 1971. – С.11–13

      9. Лазаренко Б.Р., Белкин П. Н., Факторович А. А. Образование парогазовой оболочки при нагреве анода электролитной плазмой // Электронная обработка материалов. – 1975. – №6. – С. 31–33.


34

      10. Дураджи В.Н., Брянцев И. В. Некоторые особенности нагрева металлов в электролитной плазме при анодном процессе // Электронная обработка материалов. – 1977. – №1. – С. 45–48.

      11. Белкин П.Н., Ганчар В. И., Петров Ю. Н. Исследование проводимости паровой пленки при анодном электролитном нагреве // Доклады АН СССР. – 1986. – т. 291. – N5. – С.1116–1119.

      12. Химическая энциклопедия. Т.5 / Редкол.: Зефиров Н.С. и др. – М.: Большая Российская энцикл., 1998. – С. 461.

      13. Belkin P. N., Ganchar V. I., Davydov A. D., Dikusar A. I., Pasinkovskii E.. Anodic heating in aqueous solutions of electrolytes and its use for treating metal surfaces // Surfaces Engineering and Applied Electrochemistry. – 1997. – No 2. – p. 1–15.

      14. Анагорский Л.А. Нагрев металлов в электролите // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. – М.-Л.: Машиностроение, 1971. – С. 124–141.

      15. Ганчар В.И., Товарков А.К. Образование парогазовой оболочки при прохождении тока через электролит // Электронная обработка материалов. – 1991. – №1. – С. 49–52.

      16. Белкин П.Н., Ганчар В.И. Прохождение тока через парогазовую оболочку при анодном электролитном нагреве // Электронная обработка материалов. – 1988. – №5. – С. 59–62.

      17. Мухачева Т. Л., Дьяков И.Г., Белкин П.Н. Распыление электролита в анодной парогазовой оболочке // Материалы V Международного научно-

практического семинара «Современные электрохимические технологии в машиностроении». Иваново: ИГХТУ, 2005. – С. 150–154.

      18. Сарафанов И.С., Анагорский Л.А., Рабкин М.А. Вольт – амперные характеристики процессов в электролитной ванне // Новое в электрофизической и электрохимической обработке материалов. – Л.: Машино.......................