Электрооборудование металлорежущих станков отличается разнообразием, сложностью и высоким уровнем автоматизации. Наиболее массовым видом металлорежущего оборудования является сравнительно небольшое число типов станков общепромышленного назначения, повсеместно распространенных на предприятиях самого различного профиля. К ним относятся универсальные станки широкого назначения для точения, сверления, нарезания резьбы и т. д.

Электрооборудование таких станков обычно однотипно и определяется использованием простых электроприводов ограниченной мощности. В системах управления широко применяют серийную электроаппаратуру (магнитные и тиристорные пускатели, автоматические выключатели, разнообразные реле и т. п.).

В качестве примера рассмотрим основные части и электрическую схему универсального токарно-винторезного станка 1К62 (рис. 143).

Рис. 143. Общий вид (а) и схема управления (б) токарно-винторезного станка 1К62:
1 - передняя бабка; 2 - шпиндель; 3 - суппорт; 4 - задняя бабка; 5 - шит управления; 6 - ходовой винт; 7 - вал; 8 - коробка подачи; 9 - станина

Привод шпинделя 2, ходовых винта 6 и вала 7 осуществляется через коробку скоростей, расположенную в передней бабке 1, и коробку подач 8 от главного электродвигателя М 1, скрытого внутри станины 9. Мощность Ml составляет 10 кВт. Кроме главного двигателя станок оборудован электродвигателем М4 (электродвигатель быстрых ходов установочных перемещений суппорта 3), электродвигателем насоса охлаждения М2 и электродвигателем привода гидросистемы М3, подключаемым с помощью штепсельного разъема ШР. Двигатель М3 используют тогда, когда на станке применяется гидрокопировальное устройство. Задняя бабка 4 станка служит для установки второго поддерживающего центра (при обработке в центрах) или режущего инструмента для обработки отверстий (сверла, метчика, развертки). Резцы устанавливают в головке суппорта, сообщающего им продольную и поперечную подачу.

Напряжение на станок подается включением пакетного выключателя Q1. Питание цепи управления осуществляется через разделительный трансформатор Т с вторичным напряжением 110 В.

Двигатель М1 запускается кнопкой SВП, с нажатием которой включается контактор КМ. Одновременно с Ml запускается двигатель М2 (двигатель насоса охлаждения) при включенном пакетном выключателе Q2 и М3 (двигатель гидросистемы) при включенном штепсельном разъеме ШР.

Работа двигателя Ml на холостом ходу ограничивается выдержкой времени реле КТ. Обмотка реле КТ включается переключателем SO, замыкающим контакты при остановке шпинделя. Если пауза в работе превышает 3 - 8 мин, то контакт реле КТ размыкается и на контактор КМ питание не подается, и двигатель Ml останавливается, ограничивая тем самым работу холостого хода, уменьшая потери электроэнергии.

Работа двигателя М4 зависит от перемещения суппорта, который нажимает на переключатель SAB, через контакт замыкает цепь катушки контактора КМБ и включает двигатель. Возврат рукоятки суппорта в среднее положение приводит к отключению двигателя М4.

Трансформатор Т обеспечивает освещение станка напряжением 36В. Защита от коротких замыканий осуществляется предохранителями F1 - F5, а от перегрузок - тепловым реле KST1, KST2 и KST5. Двигатель М4 работает кратковременно и в защите от перегрузок не нуждается.

Электрооборудование сварочных установок

Среди большого разнообразия сварочных электроустановок широкое общепромышленное применение получили установки электродуговой сварки.

Наиболее простыми являются сварочные установки (посты) для ручной дуговой сварки . Основу электрооборудования такого сварочного поста составляет источник сварочного тока. В качестве источников применяют специальные сварочные трансформаторы, выпрямители и электромашинные преобразователи переменного тока в постоянный. Кроме источника тока в состав сварочного поста входят распределительный щит, соединительные гибкие провода и электрододержатель.

Сварочные трансформаторы по конструктивным и электромагнитным схемам подразделяют на трансформаторы: с отдельным дросселем, с совмещенным дросселем, с подвижными обмотками, с магнитным шунтом и с подмагничиванием постоянным током. Дроссели, магнитные шунты, подвижные обмотки или подмагничивание постоянным током используют в этих трансформаторах для регулировки сварочного тока.

Рис. 144. Сварочный трансформатор с подвижными катушками

Наиболее часто применяют трансформаторы с подвижными обмотками, как наиболее простые и надежные (рис. 144). Сердечник такого трансформатора - стержневого типа, шихтованный. Первичная и вторичная обмотки - слоевые, с развитой поверхностью охлаждения. Каждая обмотка состоит из двух катушек, которые могут соединяться последовательно и параллельно. На магнитопроводе 1 расположены неподвижная первичная 4 и подвижная вторичная 3 обмотки, которые ходовым винтом с помощью рукоятки регулирования тока 2 перемешаются вдоль магнитопровода, изменяя магнитный поток рассеяния, а следовательно, сварочный ток. Для повышения коэффициента мощности служит конденсатор 5.

Рис. 145. Сварочный выпрямитель:
а - внешний вид; б - электрическая схема.

Сварочные выпрямители (рис. 145) применяют при сварке на постоянном токе, представляющем более широкие технологические возможности, чем переменный ток. Основными составными частями выпрямителей являются трехфазный трансформатор, состоящий из неподвижных 3 и подвижных 2 катушек с регулировкой напряжения и блок ВБ полупроводниковых вентилей 1, собранных по схеме трехфазного моста. Сварочный ток изменяется рукояткой 5. Для охлаждения сварочною агрегата используют электровентилятор 4.

Все более широкое распространение получает полуавтоматическая сварка в среде защитных газов и под флюсом. При полyaвтоматической сварке механизирована подача сварочной проволоки в зону сварки. Одним из наиболее простых по конструкции и управлению является шланговый полуавтомат ПШ для сварки под флюсом (рис. 146).

Рис. 146. Электрическая схема шагового сварочного полуавтомата ПШ

В электроприводе подающего механизма использован асинхронный электродвигатель М с короткозамкнутым ротором. Двигатель через редуктор (на схеме не показан) связан с ведущим роликом ВР механизма подачи сварочной проволоки СП. Питание двигателя осуществляется от двух однофазных трансформаторов Т1 и Т2, понижающих напряжение до безопасного значения (42 В). Реверс двигателя для установочных ходов механизма подачи осуществляется с помощью переключателя ПР. Ступенчатая регулировка скорости подачи проволоки производится изменением передаточного отношения редуктора механизма.

Для управления полуавтоматом используется однокнопочный пост SB, смонтированный на рукоятке горелки. При нажатии SB срабатывает промежуточное реле Р, которое включает двигатель подачи М и силовой контактор КМ. Во время работы полуавтомата кнопка SB, не имеющая самоблокирования, должна быть нажата. При отпускании SB сварочный трансформатор отключается. Общий выключатель и аппараты на схеме не показаны.

При сварочных работах выполняют ряд условий по соблюдению правил охраны труда и техники безопасной работы. Если электросварочные работы проводят внутри помещений, то они должны быть хорошо вентилируемые. Электросварщик должен работать в специальной одежде (брезентовом костюме, рукавицах, ботинках), для защиты глаз и лица использовать щиток-шлем или маску с защитными стеклами.

Сварочный агрегат и его аппаратуру осматривают и чистят не реже одного раза в месяц. Ремонт сварочного оборудования выполняют в соответствии с графиком, утвержденным главным энергетиком предприятия.

При текущих ремонтах установки измеряют сопротивление изоляции электрических цепей, а после капитального ремонта изоляцию испытывают на электрическую прочность.

Электролизные установки

Электролиз - это электрохимический процесс окисления-восстановления на погруженных в электролит электродах при прохождении через него электрического тока. Электролиз осуществляют в специальных аппаратах-электролизерах.

Электролизер представляет собой сосуд или систему сосудов, наполненных электролитом с размещенными в нем электродами - катодом и анодом, -соединенными соответственно с отрицательным и положительным полюсами источника постоянного тока. Процесс электрохимического окисления происходит на аноде, а восстановление - на катоде. Аноды изготовляют из графита, углеграфитового материала, окислов некоторых металлов, свинца и его сплавов, а катоды - из стали.

Современные крупные электролизные установки имеют нагрузку до 500 кА. В промышленности с помощью электрохимических процессов в электролизных установках получают простые и сложные вещества. Электролиз является основным методом промышленного получения алюминия, едкого натра, хлора и др. Путем электролиза воды получают кислород и водород. Электролиз применяют также для обработки поверхностей гальванопокрытиями (катодные процессы), полировки, травления, анодирования (анодные процессы) металлических изделий.

Металлопокрытие проводят в гальванических ваннах при напряжении 3,5 - 24 В и токах до 500 А. Электропитание ванн осуществляют от общих магистралей преобразователей, а регулирование напряжения и тока - с помощью реостатов. Если от одного генератора питается несколько ванн, то их включают параллельно с установкой реостата у каждой ванны. Шинопровод выполняют, как правило, из алюминиевых шин со сварными контактными соединениями, имеющими меньшее переходное сопротивление, чем болтовые соединения контактов.

Обслуживание электролизных установок заключается в организации периодических осмотров, измерений сопротивления изоляции всех частей установки и проведении ремонтов в соответствии с графиками ППРЭО.

Внешний осмотр установок дежурный электромонтер проводит ежесменно. При осмотре обращается внимание на температуру контактных соединений, состояние шинопроводов, отсутствие замыканий в цепи анодов и катодов, состояние поверхности изоляции шинопроводов (изоляторов, прокладок, клиц и т. д.), наличие и исправность защитных приспособлений. Кроме того измеряют потенциал на концах линий электролизных ванн по отношению к земле.

Сопротивления изоляции всех частей установки измеряют не реже одного раза в три месяца.

Капитальный ремонт всех токопроводящих элементов электролизных установок проводят не реже одного раза в год, а для тех участков, которые находятся в зоне высоких температур или подвергаются коррозии, механическим воздействиям, периодичность может быть уменьшена и устанавливается местной инструкцией.

Электротермические установки

Электрические печи служат для нагревания, расплавления или обработки металлов за счет теплового эффекта электрических явлений. По способу преобразования электрической энергии в тепловую различают печи дуговые, индукционные и сопротивления.

В состав электропечной установки входят электрическая печь, электропечной трансформатор, выпрямитель, генератор повышенной частоты; коммутационное оборудование (выключатель, разъединитель и т. д.) и вспомогательное оборудование (дроссели, конденсаторы, анодные выпрямители и др.). Электрические печи являются энергоемкими установками.

Дуговые электропечи применяют для плавки стали, чугуна, меди и других металлов. Мощность этих печей достигает 80000 кВт. Участок электросети от трансформатора до электродов печи состоит из шин, гибких соединений и токопровода. В этой сети ток достигает несколько десятков тысяч ампер.

Индукционные однофазные печи (рис. 147) работают при различных частотах тока (50-75 000 Гц). Нагрев происходит за счет токов, индуктируемых в металле.

Рис. 147. Схема установки индукционного нагрева:
1 - источник питания; 2 - конденсатор; 3 - индуктор; 4 - нагреваемое тело; 5 - тигель.

Индукционные печи нормальной частоты представляют собой трансформатор, в котором роль вторичной обмотки выполняет металлическая ванна в виде замкнутого кольца. Мощность этих печей достигает 17000 кВт.

Широкое применение имеют установки индукционного нагрева для сушки электрических машин, аппаратов, подогрева жидкостей в трубопроводах и т. д. Печи, работающие с частотой 2500 - 8000 Гц, используются для закалки металлов.

Осмотр электропечных установок производят ежедневно. Во время осмотров удаляют пыль, грязь, проверяют состояние контактов электроде держателей, шинопроводов, кабелей, проводов, смазку механизмов. Особое внимание обращают на работу и состояние блокировочных устройств: нарушение их работы может привести к нарушению технологии, поломке оборудования и к несчастным случаям. Периодически в дуговых печах очищают окалину с контактных поверхностей электрододержателей, из трансформаторов печных установок отбирают для анализа пробы масла.

При осмотре печей сопротивления обращают внимание на работу нагревательных элементов. Работа печей с неисправными нагревательными элементами, с нагревателями, установленными на другие марки сплава; отключенными элементами; неравномерной нагрузкой по фазам на печах с керамическими нагревателями не допускается. Каждая установка электрической печи сопротивления должна иметь инструкцию по обслуживанию. Весь обслуживающий персонал проходит специальное обучение по эксплуатации этих печей и соблюдению правил охраны труда.

Ремонты электропечных установок проводят в соответствии с графиком, установленным главным энергетиком предприятия.

Аккумуляторные батареи

Основными частями кислотного аккумулятора являются бак с электролитом и свинцовые пластины, изолированные друг от друга сепараторами. В качестве положительных используют свинцовые пластины с большим числом ребер, увеличивающих рабочую поверхность, а в качестве отрицательных - пластины коробчатой формы. Электролит представляет собой смесь серной кислоты с дистиллированной водой. Для пополнения в аккумуляторах электрической энергии служат зарядные и подзарядные устройства.

Как правило, аккумуляторные батареи эксплуатируются и режиме постоянного подзаряда. В этом случае заряженную батарею включают на шины параллельно с постоянно работающим зарядным устройством. Метод постоянного подзаряда повышает надежность работы электроустановки, обеспечивает резерв в случае выхода из строя зарядного устройства. Аккумуляторную батарею поддерживают в полностью заряженном состоянии. Уровень напряжения на каждом элементе должен быть 2,1 -2,2 В. Плотность электролита поддерживают на уровне 1,24.

Щелочные аккумуляторы подразделяются на кадмиево-никелевые и железо-никелевые. Баки изготовляют из никелированного железа. Электролит составляют в стальной или эмалированной посуде и заменяют ежегодно. Для этого аккумуляторы разряжают до напряжения 1 В, сливают электролит, промывают дистиллированной водой и сразу заливают свежим электролитом. Через 2 ч проверяют плотность электролита и доводят до нормы (при t = 20 °С она должна быть равна 1.19-1,21) и включают на зарядку. В начале зарядки напряжение аккумулятора резко повышается с 1 В до 1,6 В, потом медленно возрастает до 1,75 В. Окончанием заряда является установившееся напряжение в течение 20 - 30 мин (у железо-никелевых - 1,8-1,9 В и у кадмиево-никелевых 1,75-1,85 В).

При обслуживании аккумуляторных установок строго соблюдают правила эксплуатации по обеспечению исправной и безаварийной работы и безопасному ее обслуживанию. В помещении аккумуляторных батарей поддерживают чистоту и следят за работой приточно-вытяжной вентиляции. Вентиляция должна быть включена во все время зарядки батареи и 1,5 - 2 ч после ее окончания.

В этих помещениях запрещено устанавливать предохранители, штепсельные розетки, автоматы, люминесцентные лампы, выключатели, у которых может образоваться искра.

Осмотр батарей проводят в следующие сроки: дежурный электромонтер - ежедневно, мастер - два раза в месяц, специалист-аккумуляторщик - по графику.

Все металлические части в помещении батареи окрашивают кислотоупорной краской. Покрашенные и непокрашенные шины аккумуляторных батарей смазывают вазелином.

При работах с кислотой или щелочью обязательно следует надевать костюм из грубой шерсти, защитные очки, резиновые перчатки, брюки костюма заправлять поверх голенищ резиновых сапог. Переносить бутыли с кислотой или щелочью необходимо вдвоем на специальных носилках, в которых бутыль закреплена. Во время составления раствора кислоту следует лить тонкой струей в сосуд с дистиллированной водой (а не наоборот!). Пораженные кислотой участки кожи промывают струей холодной воды и нейтрализуют 5 %-ным раствором соды, а при ожоге щелочью - промывают струей воды и нейтрализуют раствором борной кислоты.

Электролиз - это расщипление или очищение веществ под воздействием электрического тока. Это окислительно-восстановительный процесс, на одном из электродов - аноде - происходит процесс окисления - он разрушается, а на катоде - процесс восстановления - к нему притягиваются положительные ионы - катионы. При электролизе проходит электролитическая диссоциация - распад электролита (токопроводящего вещества) на положительно и отрицательно заряженные ионы (выделяют несколько степеней диссоциации).При включении тока происходит движение электронов от анода к катоду, при этом раствор электролита может обедняться (если он учавствует в процессе), его нужно постоянно пополнять. Окисляющийся анод может также растворяться в растворе электролита - тогда его частицы приобретают положительный заряд и притягиваются к катоду.

Анод - положительно заряженный электрод - на нем идет окисление
Катод - отрицательно заряженный электрод - на нем идет восстановление
Исходя из принципа, что разноименые заряды притягиваются, вместе с этим идет разделение или очищение вещества.

Материал электродов может быть различным, в зависимости от проиходящего процесса. Масса вещества которое получается при электрохимическом взаимодействии, определяется законами Фарадея и зависит от заряда (произведение силы тока на время протекания тока), также зависит от концентрации электролита от активности материалов, из которых сделаны электроды. Аноды бывают инертные - нерастворимые, не вступают в реакции и активные - сами участвуют во взаимодействии (применяются гораздо реже).

Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину и ее сплавы, свинец и его сплавы, окислы некоторых металлов; используются титановые аноды с активным покрытием из смеси окислов рутения и титана, а также платины и её сплавов.

Нерастворимые аноды - это композиции на основе тантала и титана специальные сорта графита, двуокись свинца, магнетит. Для катодов обычно используется сталь.

Для процесса могут быть использованы следующие типы электролитов: водные растворы солей, кислот, оснований; неводные растворы в органических и неорганических растворителях; расплавленные соли; твердые электролиты. Электролиты бывают различной степени концентрации.

В зависимости от целей электролитических реакций, используют различные сочетания типов анодов и катодов: горизонтальные с жидким ртутным катодом, с вертикальными катодами и фильтруюшей диафрагмой, с горизонтальной диафрагмой, с проточным электролитом, с движущимися электродами, с насыпными электродами и т.д. В большинстве процессов стремятся использовать вещества образующиеся и на аноде, и на катоде, однако обычно один из продуктов менее ценен.

Электролиз находит огромное применение в промышленности, также он используется в медицине и народном хозяйстве.

Основные применения электролиза:

• Чистка воды для использования в народном хозяйстве,
• Очистка сточных вод использованных вод с химических производств.

Для получения веществ и металлов без примесей:

• Металлургия, гидрометаллургия - для производства алюминия и многих других металлов - алюминия из расплава оксида алюминия в криолите, электролизом получают магний (из доломита и морской воды), натрий (из каменной соли), литий, бериллий, кальций (из хлорида кальция), щелочные и редкоземельных металлы.
• В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия,
• Электролитическое выделение металла - электроэкстракция. Руда или концентрат определенными реагентами переводится в раствор, который после очистки направляют на электролиз. Так получают цинк, медь, кадмий.
• Электролитическое рафинирование. Из металла изготавливают растворимые аноды, примеси, содержащиеся в черновом металле анода выпадают в виде анодного шлама (медь, никель, олово, свинец, серебро, золото), при электролизе, а чистый металл выделяется на катоде.
• В гальванотехники - гальваностегия - получение покрытий но металлах, улучшающие их эксплуатационные или декоративные свойства и гальванопластика - получение точных металлических копий любых предметов;
• Для получения оксидных защитных пленок на металлах (анодирование); также электрохимическая обработка используется для полировки поверхности изделий и окрашивания металлов,
• Существует электрохимическая заточка режущих инструментов, электрополирование, электрофрезирование,
• также электролиз широко применяется в радиотехнике.

Выделяют электролиз водных растворов и расплавленных сред, а также производство самих электрохимических источников тока - батарей, гальванических элементов, аккумуляторов работоспособность которых восстанавливается пропусканием тока в направлении, противоположном тому, в котором ток протекал при разрядке.

Основные типы электролизных установок:

• Установки для получения и рафинирования алюминия;
• Электролизные установки ферросправного производства;
• Электролизеры никель-кобальтового производства;
• Установки для электролиза магния;

• Установки электролиза (рафинирования) меди;
• Установки для нанесения гальванических покрытий;
• Электролизные установки получения хлора;

• Электролизеры для обеззараживания воды.
• Электролизеры, производящие водород для атомных станций.. и т.п.

Побочным продуктов многих окислительно-восстановительных реакций является кислород.

При электролизе регулируют силу тока, его частоту и напряжение, даже полярность, эти параметры управляют скоростью и направленностью процессов. Реакция электролиза всегда проводится при постоянном токе, так как здесь очень важно постояноство полюсов. В очень редких случаях, когда полярность не значима используется переменный ток (например, при электролизе газов).

Современные алюминиевые электролизеры по конструкции катодного устройства подразделяют на

• Электролизеры с днищем и без днища,
• С набивной и блочной подиной;
• по способу токоподвода: с односторонней и двусторонней схемой ошиновки;
• по способу улавливания газов: на электролизеры открытого типа, с колокольным газоотсосом и укрытого типа.

К неудовлетворительным свойствам всех существующих конструкций алюминиевых электролизеров следует отнести недостаточно высокий коэффициент использования электроэнергии, непродолжительный срок их службы и недостаточную эффективность улавливания отходящих газов. Дальнейшее совершенствование конструкции электролизеров должно идти по пути увеличения его единичной мощности, механизации и автоматизации всех операций обслуживания, полного улавливания всех отходящих газов с последующей регенерацией их ценных компонентов.

Промышленные электролизные установки имеют множество типов конструкции, основные это мембранные и диафрагменные. Также выделяют сухие, мокрые и проточные электролизные установки. В общем виде установка - это закрытая система, содержащая электроды, помещенные в состав электролита, к которой подводится электрический ток с определенными характеристиками. Электролизные ячейки могут быть объединены в батарею. Существуют также биполярные электролизеры - где каждый электрод, за исключением крайних работает с одной стороны как анод, с другой стороны как катод.

Данное оборудование работает при различном давлении, в зависимости от типа реакции. Для получения некоторых веществ - например, при получении газов требуется регулировка давления или особые условия. Также нужно следить за давлением газов, которые являются побочным продуктом электролитических реакций. Электролизные установки, которые используются для получения водородв и кислорода на электростанциях работают под избыточным давлением до 10 кгс/см2 (1 МПа).
Установки также отличаются своей производительностью.

В некоторых их них используются прямоходные электрические механизмы . Например, они применяются для перемещения электродов, регулирования уровня электролита, перемещения резервуаров, ванн с электролитом и т.п . Один из примеров такой конструкции приведен на чертеже.

Все электролизные установки должны быть заземлены. Для работы большого промышленного электролизера нужен выпрямительный агрегат или преобразовательная подстанция для преобразования переменного тока в постоянный. Стационарное местное освещение в цехах (корпусах, залах) электролиза обычно не требуется. Исключение - основные производственные помещения электролизных установок получения хлора.

Технологии промышленного электролиза подразделяются на несколько типов:

• PFPB - технология электролиза с использованием обожженных анодов и точечных питателей
• CWPB - электролиз с использованием обожженных анодов и балки продавливания по центру
• SWPB - периферийная обработка электролизеров с обожженными анодами
• VSS - технология Содерберга с верхним токоподводом
• HSS - технология Содерберга с боковым токоподводом

Наибольший объем удельных выбросов из электролизеров приходится на процессы электролиза, в основе которых лежит технология Содерберга. Данная технология получила наибольшее распространение на алюминиевых заводах России и Китая. Объем удельных выбросов из таких электролизерах значительно выше относительно других технологий. Количество выбросов фторуглеродов сокращают в том числе и изучая технологические параметры анодного эффекта, снижение которого также влияет на количество выбросов.

Модели промышленных электролизеров

У углеродных анодов (а графит - это аллотоп углерода) - есть существенный недостаток - при проведении реакции они выбрасывают в атмосферу углекислый газ, тем самым загрязняя ее. В настоящее время особенно актуальна технология инертного анода, сейчас данную технологию тестирует известный производитель алюминия. Суть ее в том, что для используется не вступающий в реакции безуглеродный анод, и как побочный продукт в атмосферу выделяется не углекислый газ, а чистый кислород.

Данная технология существенно повышает экологичность производства, но пока она находится на этапе тестирования.

Несмотря на большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются общие проблемы технического электролиза. К ним следует отнести перенос зарядов, тепла, массы, распределение электрических полей. Для ускорения процесса переноса целесообразно увеличивать скорости всех потоков и применять принудительную конвекцию. Электродные процессы могут контролироваться путем измерения предельных токов.

это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:

• Анод - электрод к которому подключен положительный проводник;
• Катод - электрод к которому подключен отрицательный проводник.

Ниже представлена принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод - анионы ОН - .

Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода: KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:

• Реакция на аноде: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − - выделение кислорода;
• Реакция на катоде: 2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − - выделение водорода.

Промышленный электролизер собран по биполярной схеме, где между основными электродом и катодом помещены биполярные "промежуточные" электроды имеющие разные заряды по сторонам. Со стороны основного анода, промежуточный электрод имеет катодную сторону, со стороны катода - анодную (см. рисунок).

Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.

Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м 3 /час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н 2 м 3 /кВт-ч.

ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ

В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.

Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.

Сущность электролизного технологического процесса (рис.), заключается в том, что при протекании электрического постоянного тока через электролитическую ванну может иметь место одно из явлений:

Либо происходит осаждение частиц вещества из электролита на электродах ванны (электроэкстракция)

Либо имеет место перенос вещества с одного электрода на другой через электролит (электролитическое рафинирование)

ЗАКЛАДКА

В качестве электролита используется растворы солей, кислот и оснований как правило в воде.

В электролите имеет место ионная проводимость. При подаче напряжения на электроды ионы движутся к электродам, нейтрализуются и оседают на них. При этом имеет место либо электроэкстракция либо электролитическое рафинирование.

Основное значение имеет при выборе понятие нормального потенциала.

Если электрод изготовлен из такого же металла как электролит, то при некотором потенциале между электродом и электролитом нет ни первого, ни второго процесса. Такой потенциал называется нормальный.

Если на электроды подать более отрицательный потенциал, то начинается электроэкстракция.

Если более положительный, то электролитическое рафинирование.

Электролиз применяют для получения или очистки металлов.

В количественном отношении электролизный процесс описывается тем же самым законом Фарадея.

U эл =E р +E п +U э +U с

E р - напряжение разложения

E п – сумма анодного и катодного ПН

U э – падение напряжения на электролите

U с – падение напряжения на шинах контактов электродов

U э =I∙R вн

U э =I∙(R ш +R к +R э)

P эл =I∙(E p +E п +U э +U с)

τ – время технологического процесса

E p – полезная работа

Эффективность электролизного процесса описывается массой вещества.

Сырьем для получения Znслужит цинковая обманкаZnS. Этот минерал сначала подвергают окислению, обжигу, а затем подвергают выщелачиванию.

ZnSO 4 +H 2 O(5÷6%) Проводимость у такого раствора невысока, поэтому добавляют к этому раствору 10÷12%H 2 SO 4

Электролитическая ванна выполнена из дерева или бетона и изолирована от земли.

Электролизный процесс проводится при t= 35÷40 0 C

j= 400÷600 А/м 2

На катоде появляется ПН – 1,1 В (нормальный потенциал -0,76 В)

Возникает электроэкстракция – осаждение Znна катоде.

1/g э = 3500 кВт∙ч/т

τ = 40÷50 часов

После этого Znсдирают с катода и переплавляют.

Получение Al

В качестве электролита используются не раствор, а расплав. В качестве сырья используется глинозем Al 2 O 3

t пл = 2050 0 С

Расплав этого материала имеет низкую проводимость. Поэтому в качестве электролита используют глинозем и криолит Na 3 AlF 6

t пл = 950 0 С

Ванны и электроды изготавливают из угля или графита.

I= 200÷250 кА

j= 7÷10 кА/м 2

1/g э = 14000÷16000 кВт∙ч/т

Гальванотехника

Это электротехнологический процесс осаждения металла на поверхность как металла, так и не металлических изделий с помощью электролиза.

Толщина покрытия не превышает десятков мкм.

Различают 2 разновидности:

гальваностедия

гальванопластика

Гальваностедия – омеднение, золочение, золочение, хромирование, никелирование…

Перед обработкой поверхность тщательно очищают, затем осуществляют травление кислотой H 2 SO 4 ,HCl. В качестве электролита используется раствор соли наносимого металла. Иногда добавляют кислоты и щелочи для повышения проводимости. Анод изготавливается из наносимого металла, изделие является катодом.

Происходит перенос металла с анода на катод, обработка происходит при небольших плотностях тока, не больше десятков А/м 2 .

Гальванопластика – получение точных копий с изделий.

Электродинамический эффект и электрический ветер

При воздействии ЭП на газовые и жидкие среды наблюдается их движение. Оно обусловлено передачей кинетической энергии при соударении ионов среды с нейтральными молекулами.

Это явление получило название электрический ветер для газовых сред.

Электрический ветер всегда направлен от электрода с меньшим радиусом кривизны.

Сила воздействия на электрический разряд оценивается просто:

F=E∙ρρ– плотность заряда

Установлены некоторые закономерности электрического ветра:

Импульсные установки

1.Установки электроэрозионной обработки.

2.Установки электрогидравлической обработки.

3.Установки электроимпульсной сварки.

4.Устновки магнитоимпульсной обработки металла.

5.Установки импульсной электрохимической обработки.

1.Установк электроэрозионной обработки.

Работа этих устройств основана на явлении электроэрозии,т.е разрушение обрабатываемого материала(Ме) под действием импульсов тока, протекающего между электродом обрабатываемой поверхностью, как правило в диэлектрической среде.

При протекании импульсов тока в искровом канале происходит превращение электроэнергии в тепло в искровом канале между электродам и поверхностью. Происходит нагрев, и его удаление.

Основные параметры обработки:

Частота следования импульсов от сотен до сотен тысяч Гц,

Амплитуда тока от долей до тысяч А,

Длительность импульсов от долей до нескольких тысяч секунд.

Изменением этих параметров устанавливается необходимый режим обработки. Схема1.

1-вертикальная стойка станка

2-рабочая ванна

3-стол для установки рабочей ванны, которая обеспечивает перемещение рабочей ванны по двум координатам в горизонтальной плоскости.

4-обратываемое электрод-изделие, располагающееся внутри рабочей ванны и перемещающейся вместе с ней.

5-устройство для вертикального перемещения.

6-источник высокого импульсного напряжения (периодическое, не ниже 1кВ).

7-система снабжения рабочей диэлектрической жидкостью(обычно трансформаторное масло). Система включает в себя насосы, фильтры, системы возврата жидкости, охладители.

8-электрод-инструмент, изготавливается из более тугоплавкого материала, чем электрод-изделие (вольфрам, графит).

Работа установки

Электрод-инструмент (8) подводится к поверхности изделия (4) и включается источник напряжения (6).

Т.е. к промежутку между электродом-инструментом (8), изделием (4) прикладываются импульсы высокого напряжения и в этом промежутке возникают электроискровые разряды. Эти каналы являются очень концентрированными преобразователями электрической энергии в тепловую с объемной плотностью 10^12 Дж/м3.

При этом плотность мощности 1-10^7 Вт/см2. Выделившаяся тепловая энергия приводит к нагреву, расплавлению, испарению металла изделия и его удаление с помощью рабочей жидкости. При этом многократные электрические разряды проходят послойно всю обрабатываемую поверхность. В итоге в изделии образуются углубления, которые копируют форму электрода.

В качестве источников питания используются импульсные источники питания на основе емкостных накопителей энергии.

Схема 2 .

Питание происходит от сети 220В с помощью трансформатора тока. Повышенное напряжение выпрямляется с помощью выпрямителя VD, выпрямленное напряжение используется для периодической загрузки батареи конденсатораCб. После зарядки этой емкости образуется разрядный контур, содержащий индуктивностьLpи рабочий искровой промежуток. Емкость разряжается, в разрядном контуре протекает токLp. После этого тиристорVDзапирается и процесс зарядки емкости Сб повторяется. Управление режимом обработки (шероховатость, производительность) производится путем измения мощности и частоты следования импульсов токаip.

Такие установки имеют высокую производительность и высокое качество обработки. При некоторых видах обработки такие установки незаменимы.

Недостаток: наблюдается износ электрода-инструмента.

Установки электрогидравлической обработки

Такие установки основаны на применении электрогидравлического эффекта.

Электрогидравлический эффект заключается в преобразовании электроэнергии, запасённой в ёмкостном накопителе в механическую энергию ударной волны при помощи мощного искрового разряда, который создаётся в жидкой среде (чаще воде).

Электрическая схема практически такая же как в предыдущем случае. Отличие в длине разрядного промежутка (она больше).

Параметры технологического процесса:

1)
- крутизна нарастающего тока;

2) до 250 кА;

3) до 100 МВт;

4) до
Дж.

При таких параметрах искровой канал имеет характер взрыва.

Температура канала
К; Давление
МПа.

Давление передаётся жидкости.

Области применения:

а) выбивка формовочных стержней в отливках сложной формы;

б) очистка литья и различных поверхностей от окалины;

в)дробление, измельчение различных материалов;

г) утилизация железобетонных изделий.

Установки импульсной сварки

Предназначены для получения неразъёмных сварных металлических соединений путём сжатия места соединения и нагревания его до температуры плавления путём пропускания импульсного тока.

Схема процесса такая же как и в предыдущем случае. Отличие только в нагрузке. Детали практически не нагреваются.

Преимущество – локализация термического воздействия, исключается разрушение мелких сварных деталей.

Устройства магнитно-импульсной обработки

Эти установки основаны на преобразовании ЭЭ в энергию импульсного МП, затем происходит взаимодействие импульсных полей, создаваемых инструментом – индуктором, с наведённым им Эл. Током в заготовке.

В результате энергия МП превращается в механическую энергию, которая необходимым образом деформирует заготовку.

ЗУ – зарядное устройство;

- батарея индуктивностей (создаёт импульс нужной формы);

ИН – инструмент индуктор;

З – заготовка.

Многоконтурные и одноконтурные установки

Многоконтурная установка содержит один или несколько инструментов – индукторов, выполненных в виде соленоидов.

МП соленоида, создаваемое током наводит в заготовке ток. Токи взаимодействуют и обеспечивают механические усилия и деформацию заготовки.

- собственная индуктивность ИИ;

- активное сопротивление ИИ;

- активное сопротивление;

- коэффициент взаимоиндукции;

- индуктивность и активное сопротивление заготовки.

В схеме прот. ПП, он определяется методом ТОЭ. Технология операции по такой схеме используется в 3 варианте:

2) раздача (индукция внутри заготовки);

3) листовая формовка (деформируется плоская заготовка).

Одноконтурная схема:

В этом случае разрядный ток протекает непосредственно через заготовку. Заготовка – часть ИИ.

разветвляется наи. Взаимодействие токов приводит к деформации заготовки, и она приобретает форму, показанную пунктиром.

Преимущества:

Недостатки:

Материал должен иметь высокую электропроводность;

Необходимость установки проводящих прокладок при образовании материалов, плохо проводящих эл. ток;

Трудности обработки поверхностей, имеющих разрыв для эл. тока;

Трудности с обработкой массивных заготовок.

Установки импульсной электрохимической обработки. Это рассмотренные выше электрохимические технологические процессы, в которых вместо постоянного напряжения применяется импульсное.

В настоящее время в России все большее количество объектов водоснабжения и водоотведения, а также производств, отказываются от применения товарного жидкого хлора и гипохлоритов, делая выбор в пользу организации собственного синтеза необходимых реагентов непосредственно на объектах применения.

Для производства требуется хлорид натрия (соль), вода, электроэнергия.

Причины подобного отказа:

1. Жидкий хлор очень опасен .

Несмотря на невысокую стоимость хлора, мероприятия и затраты, связанные с его использованием, в значительной степени усложняют и удорожают весь производственный процесс.

2. Товарный гипохлорит натрия (ГПХН 19%) очень дорог .

Стоимость 1 т. ГПХН марки А не превышает 20-30 тыс. руб. Однако, количество гипохлорита натрия, эквивалентное 1 т. хлора, составляет уже 100-150 тыс. руб. (так как гипохлорит содержит всего 15-19% активного хлора и имеет тенденцию к дальнейшему разложению).

Преимущества электролизного оборудования:

• отказ от расходов на обеспечение безопасности при транспортировке и хранении;
• при работе электролизного оборудования невозможны аварии, связанные с утечкой большого количества реагента. Объекты эксплуатации электролизных установок для синтеза хлорреагентов не относятся к ОПО и не включаются в соответствующий реестр;
• независимость от поставщика – реагент производится в необходимом количестве, производительность регулируется, что повышает энергоэффективность объекта;
• дешевое сырье – для синтеза можно использовать самую дешевую техническую соль. Это потребует установки дополнительного оборудования для очистки солевого раствора, поступающего в электролизеры, однако, эти затраты окупаются менее чем за 1 год за счет значительной экономии на сырье;
• получаемый реагент дешевле товарного;
• для объектов водоснабжения, использующих в качестве основного метода обеззараживания УФ установки – при внедрении УФ оборудования невозможно полностью отказаться от использования хлорреагента, так как необходимо обеспечить санитарное состояние сооружений и сетей, а также безопасность транспортировки воды потребителю. Электролизные установки совместно с УФ оборудованием полностью удовлетворяют потребность в хлоре, объект при этом исключается из реестра ОПО.

Электролизные установки производят разные реагенты:

• хлор или хлорную воду (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф, Аквахлор-Мембрана/Диафрагма);
• комбинированный дезинфектант с повышенной эффективностью – раствор оксидантов, содержащий хлор, диоксид хлора, озон (Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• низкоконцентрированный ГПХН 0,8% (ЛЭТ-ЭПМ, Аквахлор, Аквахлор-Бекхофф);
• высококонцентрированный ГПХН 15-19% (Аквахлор-Мембрана/Диафрагма).

Для целей обеззараживания воды подходят все эти реагенты. Ограничением является только pH подвергаемой обеззараживанию воды в точке ввода реагента – для воды с pH выше 7,5 рекомендуется использовать хлорную воду вместо гипохлорита, который малоэффективен в щелочной среде.

Остановимся подробнее на каждом типе оборудования ООО «ЛЭТ»:

Аквахлор и Аквахлор-Бекхофф:

• получаемый реагент обладает повышенной эффективностью;
• отдельные модули имеют небольшую производительность. Что позволяет гибко реагировать на
• потребность в реагенте. Оптимальная производительность комплекса – до 250-500 кг активного хлора в сутки;
• периодичность замены реакторов – 1 раз в 3-5 лет;
• простота обслуживания.

ЛЭТ-ЭПМ:

• неограниченная производительность комплексов;
• простота эксплуатации и невысокие требования к качеству сырья;
• периодичность замены (перепокрытия) электродного блока – 1 раз в год;
• реагент подходит для большинства объектов.

Аквахлор-Диафрагма:

• возможность получения хлорной воды и концентрированного ГПХН 19%, а также одновременного получения этих реагентов;
• периодичность замены электродного покрытия и диафрагмы – не более 1 раза в 10 лет;
• высокие требования к качеству солевого раствора;
• возможность промывки диафрагмы и возвращения в работу в случае загрязнения солевым раствором несоответствующего качества;

Аквахлор-Мембрана:

• неограниченная производительность комплекса (но не менее 50-100 кг/сут.);
• возможность получения хлора и концентрированного ГПХН 19% высокой чистоты, пригодной для синтеза;
• периодичность замены электродного покрытия и мембраны – не более 1 раза в 10 лет;
• очень высокие требования к качеству солевого раствора;
• в случае загрязнения мембраны требуется ее замена на новую;
• обслуживание оборудования требует квалифицированного персонала.

Себестоимость конечного продукта (по возрастанию, от меньшей к большей):

• Аквахлор-Диафрагма
• Аквахдлор-Мембрана
• Аквахлор/Аквахлор-Бекхофф
• ЛЭТ-ЭПМ