Расчет течений электролита на базе уравнений навье-стокса (стр. 2 )

,

где m — масса материала, растворенного с анода, [г], — коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент), Q — количество электричества, пропущенное через электролит, [Кл Ас].

Для примера проведем анализ влияния электромагнитных явлений на процесс ЭХО катодом с плоской торцевой поверхностью прямоугольного и круглого сечений и разных способах подвода электролита. С определенным приближением эти схемы соответствуют случаям обработки пера лопаток турбины и компрессора, гравюр ковочных штампов, колодцем и т. д.

Гидродинамический режим течения рабочей жидкости оказывает существенное влияние на процесс ЭХО. Поток электролита, осуществляя гидротранспорт газов, тепла и твердых продуктов химических реакций из рабочей зоны, создает необходимые условия для растворения материала анода. От скорости и давления электролита зависят распределение вдоль межэлектродного канала (МЭК) значений удельной электропроводности рабочей среды, электродных потенциалов, анодного выхода по току и, следовательно, технологические показатели процесса обработки – производительность, точность и качество поверхности.

При течении в криволинейном канале вследствие разности скоростей на частицы жидкости, движущиеся в середине канала, действует большая центробежная сила, чем на частицы к стенок. В результате возникают вторичные течения, увеличивающие сопротивление движению основного потока.

При течении по гидравлическому тракту поток электролита преодолевает местные сопротивления в виде сужающихся или расширяющихся каналов всевозможных форм и различных поворотом. Каждый подобный элемент вызывает потерю давления.

При электрохимической обработке в межэлектродном зазоре электролит нагревается за счет прохождения рабочего тока и механических потерь. Плотность внутреннего источника тепла неравномерна из-за изменения ӕ как по высоте МЭЗ, так и по длине канала, что приводит к соответствующим распределениям температуры. Выделившееся тепло отводится в катод-инструмент, обрабатываемую деталь, оснастку и уносится потоком электролита. По истечении некоторого времени устанавливается квазистационарное распределение температуры по сечению и длине МЭКа. Увеличение температуры электролита вниз по потоку приводит к пропорциональному изменению температуры стенки.

Коэффициентом выхода металла по току оценивают эффективность процессов ЭЛХО. Он представляет собой отношение фактического объема растворенного металла при пропускании определенного количества электричества к расчетному объему металла, который должен раствориться при пропускании того же количества электричества. Значение коэффициента выхода по току отражает характер анодного растворения: активное или пассивное. При активном растворении коэффициент выхода металла по току составляет обычно 0.5 - 1.0, при пассивном растворении меньше 0.5.

Для нормального протекания электрохимических реакций нужно обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка, поэтому электролит должен иметь определенную скорость. При прокачке электролита также необходимо обеспечить равномерный поток, с целью предотвращения перегрева и кипения в результате теплоты фазового превращения, а также появления на детали размывов, обусловленных застойными зонами.

Электродный процесс представляет собой сложную гетерогенную реакцию, включающую следующие стадии: 1) перенос реагирующих ионов к поверхности электродов; 2) электрохимическая реакция; 3) отвод продуктов реакции. Суммарная скорость реакции определяется медленной стадией процесса. Если лимитирует скорость подвода или отвода частиц, то принято считать, что реакция протекает в области диффузионной кинетики, а при меньшей скорости самой реакции – в области электрохимической кинетики. При анодном растворении металлов лимитирующими являются в основном 1 и 3 стадии.

Доставка частиц к поверхности электрода и удаление прореагировавших из зоны электродной реакции происходит тремя путями: 1) молекулярной диффузией вследствие возникновения разности концентраций ионов при прохождении электрического тока; 2) миграцией – под действием разности потенциалов в МЭП; 3) конвекцией.

Электролит может иметь ламинарный или турбулентный характер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении – быстрее. Однако расчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетах принимают течение ламинарным. Если электролит протекает со скоростью ниже некоторого критического значения (менее 1-2 м/с), то он не успевает вынести из зазора все продукты обработки, и скорость анодного растворения через некоторое время после начала процесса снижается.

Средняя скорость электролита может изменяться в широких пределах (V=5-40 м/с). При таких скоростях число Рейнольдса Re может быть больше критического значения (Re2300). В этом случае поток жидкости будет турбулентным, и рассчитанные скорости течения будут несколько завышенными.

Ещё одним из важнейших условий правильного ведения процесса является поддержание заданной плотности тока. Скорость растворения находится в прямой зависимости от плотности тока. Большинство материалов хорошо обрабатываются на установках, питаемых постоянным током.

С увеличением плотности тока потенциал анода возрастает таким образом, что становится возможным выделение кислорода. Часть тока, протекающего через ячейку, расходуется на выделение кислорода на аноде, и выход по току для реакции растворения металла не составит 100%. Фактически перенапряжение выделения кислорода с ростом плотности тока увеличивается так быстро, что достигается потенциал разряда хлорид - ионов с образованием хлора. Таким образом, скорость съёма металла увеличивается с возрастанием плотности тока.

Очевидно, что во время электрохимической обработки неизбежно нагревание электролита. Хотя необходимо охлаждение электролита, существуют, тем не менее, преимущества использования электролита с повышенной температурой.

С повышением температуры возрастает не только удельная электропроводность электролита, но ускоряются электродные реакции, и снижается перенапряжение, напряжение и, следовательно, энергия, необходимые для поддержания данной плотности тока, уменьшаются с повышением температуры.

С повышением температуры увеличивается растворимость продуктов реакции, а давление, необходимое для прокачки электролита через зазор с желаемой скоростью, уменьшается. Последнее является следствием понижения вязкости электролита с повышением температуры и также объясняет повышенную электропроводность. С повышением температуры электролита проводимость будет возрастать при повышении температуры на каждый градус Цельсия. Однако эффективная проводимость электролита будет уменьшаться вследствие выделения на катоде пузырьков водорода. На величину и распределение пузырьков влияют условия протекания электролита, а также давление и температура в зазоре. Увеличение давления электролита сверх атмосферного повышает температуру кипения электролита, уменьшает перенапряжение водорода на катоде и, сжимая выделяющийся водород, уменьшает его объем. При повышенных давлениях пузырьки водорода, занимают меньший объем в зазоре и вытесняют меньше электролита, следовательно, могут поддерживаться большие плотности тока.

Другие факторы, например образование осадков, обычно меньше влияют на проводимость электролита. Все это приводит к тому, что зазор будет конусным, становясь шире или уже в зависимости от того, что преобладает – влияние температуры или пузырьков. Прокачивание электролита препятствует увеличению концентрации ионов у анода и позволяет достичь больших плотностей тока.

Существует и другой фактор, который следует учитывать. Когда ток проходит через металлический или электролитический проводник, последний нагревается. Нагрев может привести к закипанию электролита, что вызовет неравномерное распределение тока и, следовательно, неравномерный съём металла. Поэтому скорость потока электролита должна быть достаточной для предотвращения повышения температуры электролита в зазоре до точки кипения.

Вся теплота при анодном растворении заготовки переходит в раствор, а нагрев за счет гидравлических потерь пренебрежимо мал.

Таким образом, физические и химические свойства электролитов, важнейшими среди которых являются электропроводность и вязкость, оказывают влияние на характер протекания и результаты процесса. От состава электролита зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Для получения высоких технологических показателей процесса является необходимым, чтобы:

а) в электролите не протекали вовсе или протекали в минимальном количестве побочные реакции, снижающие выход по току;

б) растворение заготовки происходило только в зоне обработки;

в) на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток.

Таких универсальных электролитов не существует, поэтому при подборе состава электролита приходится в первую очередь учитывать те требования, которые являются определяющими для выполнения операции.

При обработке состав электролита меняется. Потеря водорода может привести к понижению электропроводности электролита. Уменьшение количества воды, как в результате испарения, так и с выделяющимся водородом вызывает повышение концентрации раствора и влияет на его электропроводность и вязкость. Образование осадка может увеличить эффективную вязкость электролита и снизить скорость анодного растворения.

Поглощение соли осадком снижает концентрацию раствора и может повлиять на его электропроводность. Ионы металла с анода переходят в раствор и могут осаждаться на катоде. Эти изменения означают, что электролит имеет определенный срок службы, который может быть ограничен вследствие необходимости: 1) поддерживать постоянную электропроводность для ускорения процесса и обеспечения точности обработки; 2) предотвращать осаждение на инструменте для обеспечения точности обработки; 3) избегать чрезмерных осадков.