УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Физическая сущность ультразвуковой обработки
Ультразвуковой метод обработки является методом механического воздействия на материал. Ультразвуковым он называется потому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков, т. е. ( составляет от 16 до 105 кГц. Звуковые волны представляют собой механические упругие колебания, которые могут распространяться только в упругой среде в отличие от электромагнитных колебаний. Длина звуковой волны Х=у//, где V — скорость распространения волны; /—частота волны. При распространении звуковой волны в упругой среде материальные частицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия со скоростью, которая называется колебательной. Сгущение и разряжение среды в продольной волне характеризуется избыточным, так называемым звуковым давлением. Между колебательной скоростью и звуковым давлением существует взаимосвязь, определяемая свойствами среды. При распространении в материальной среде звуковая волна переносит определенную энергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Преимуществами ультразвуковой ообработки следует считать:
1) возможность получения акустической энергии различными техническими приемами;
2) широту диапазона технологического применения ультразвука— от размерной обработки до получения неразъемных соединений (сварка, пайка и т. д.); 3) простоту эксплуатации и автоматизации промышленных установок. К недостаткам этого метода относятся: повышенная стоимость акустической энергии по сравнению, с другими видами энергии; необходимость изготовления специальных установок и аппаратов для генерации ультразвуковых колебаний, их передачи и распределения.
Ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы как базовые для разработки различных процессов.
Кавитация — нарушение сплошности жидкости, возникающее при давлении ниже некоторого критического значения.
Поглощение ультразвуковых колебаний веществом—необратимый процесс, в котором часть энергии превращается в тепловую энергию, другая же часть расходуется на изменение структуры вещества. Разделение молекул и частиц различной массы в негомогенных суспензиях в звуковом поле зависит от состава суспензий и частоты поля.
Коагуляция заключается в образовании из мелкодиспергиро-ванных частиц (дыма, пыли, тумана) значительно более крупных частиц. Движение частиц при наличии между ними сил притяжения приводит к соударению и в результате к их объединению и укрупнению.
Дегазация жидкостей или расплавов с помощью ультразвуковых колебаний происходит вследствие вытеснения газовых пузырьков, которые приходят в движение, объединяются в пузырьки больших размеров и всплывают. Диспергирование является эффектом, противоположным коагуляции, и заключается в мелком дроблении вещества и перемешивании его с другими.
17.2. Элементы оборудования ультразвуковых установок
Основными элементами колебательной системы являются источник ультразвуковых колебаний, акустический трансформатор скорости и детали крепления.
Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух видов: механические и электрические.
К механическим источникам относятся ультразвуковые сирены и свистки, принцип действия которых основан на преобразовании механической энергии
(например, скорости движения жидкостей или газов). Электрические источники УЗК: преобразуют электрическую энергию в механические упругие колебания соответствующей частоты. Для этих целей служат различные преобразователи: электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические. Наиболее распространенными являются магнитострикционные и пьезоэлектрические. Принцип действия магнитострикционных преобразователей основан на продольном магнитострикционном эффекте, который проявляется в изменении длины металлического тела из ферромагнитных материалов (без изменения их объема) под действием магнитного поля. Магнитострикционный эффект у разных металлов различен. Высокой магнитострикцией обладают никель и пермен-дюр, которые нашли широкое применение в производстве магнитострикционных преобразователей. Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на способности некоторых веществ изменять свои геометрические размеры (толщину и объем) в электрическом поле. Пьезоэлектрический эффект обратим, т. е. если пластину из пьезоматериала подвергнуть деформациям сжатия или растяжения, то на ее гранях, появятся электрические заряды. Если пьезоэлемент поместить в переменное электрическое поле, то он будет деформироваться, возбуждая в окружающей среде ультразвуковые колебания. Широкое распространение получили пьезоэлементы на основе титана-та бария, цирконата-титаната свинца (ЦТС).
Колеблющаяся пластинка из пьезоэлектрического материала является электромеханическим преобразователем
Существуют ультразвуковые генераторы на транзисторах и тиристорах, ламповые и машинные.
17.3. Технологическое использование ультразвуковых колебаний
Технологическое использование ультразвука в промышленности осуществляется по трем основным направлениям: силовое воздействие на материал; интенсификация технологических процессов; ультразвуковые методы контроля. Ультразвуковые процессы с силовым воздействием на обрабатываемый материал применяются для механической обработки твердых и сверхтвердых сплавов, диспергирования и эмульгирования, удаления поверхностных пленок, загрязнений и др.
Ультразвуковое диспергирование и эмульгирование происходят под действием. интенсивных ультразвуковых волн, вызывающих дробящее действие кавитации и турбулентное движение жидкостей. Этим методом удается получить стойкие эмульсии таких несмешивающихся обычными способами жидкостей, как вода и масло, ртуть и вода, бензол и вода и др.
Ультразвуковые методы контроля. С помощью ультразвуковых колебаний можно непрерывно контролировать ход технологического процесса без проведения лабораторных анализов проб.
Установив предварительно зависимость параметров звуковой волны от физических свойств среды, измеряя затем амплитуду колебаний частиц, интенсивность ультразвуковых колебаний или скорость звука, можно достаточно точно судить о состоянии среды и ее изменениях.
Как правило, ультразвуковые методы контроля осуществляются с помощью ультразвуковых колебаний небольшой интенсивности. В зависимости от физикохимических характеристик среды скорости звука в ней будут различными. Измерив скорость звука, можно судить о происшедших физико-химических превращениях в данной среде, контролировать ее концентрацию, определять наличие примесей, следить за ходом технологического процесса.
ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
18.1. Характеристика электронно-ионных процессов
При воздействии электрического поля высокой напряженности на вещество, находящееся в твердом, жидком или газообразном состоянии, возникают процессы, при которых наряду с изменением физических и химических свойств материала происходит изменение распределения образующих его частиц в пространстве. Это применение электрических полей высокой напряженности в технологических процессах получило общее название электронно-ионной технологии (ЭИТ).
Электронно-ионная технология включает в себя три характерных процесса: электризацию материала в момент диспергирования или уже находящегося в дисперсном состоянии; организацию различных форм движения частиц в электрическом поле; формирование готового продукта или изделия.
Получили развитие следующие виды ЭИТ: электрогазоочистка — выделение из газового (воздушного) потока содержащихся в нем твердых или жидких частиц;
электросепарация — разделение многокомпонентных систем на компоненты, путем использования электрофизических и физико-химических свойств частиц компонентов;
электроокраска — нанесение твердых или жидких покрытий на изделия; электропечать — формирование изображения, получение многократных копий, выполнение матриц для размножения; электроформообразование.
В основе электронно-ионной технологии лежат следующие явления. Электроосмос — движение жидкости по отношению к твердому телу под действием электрического поля.
Электрофорез, или катафорез, — движение частиц, взвешенных в жидкости или газе под воздействием электрического поля.
Электродиализ—явление, которое составляют диализ (очистка растворов от электролитов) и электрофорез.
Указанные явления протекают в электростатических установках. При массопереносе в таких установках электрическое поле перемещает не ионы, как это происходит при электролизе, а макрочастицы вещества, состоящие из большого количества молекул.
Электроосмос используется для удаления избыточной влаги из почв при прокладке транспортных магистралей и гидротехническом строительстве, для сушки торфа, обезвоживания пористых материалов, очистки воды, технических жидкостей и т. д.
В электростатических установках протекание процессов обусловлено возникающими кулоновскими силами. Для их возникновения частицы должны быть заряжены.
На практике используются в основном три принципа зарядки частиц: 1) путем осаждения на поверхности частицы ионов из объема газа, окружающего частицу; 2) путем электростатической индукции, т. е. разделения зарядов в электрическом поле; 3) путем механической, химической и тепловой электризации.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ УСТАНОВКИ
19.1. Принцип действия и устройство электрофильтров
Электрофильтр, как агрегат, состоит из следующих основных элементов (рис.