Экспериментальные исследования колебаний напряжения и тока электрического разряда в электролитической ячейке с твердым электродом

ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 537.525

Л. Н. Багаутдинова, Ал. Ф. Гайсин, Ш. Ч. Мастюков,

И. Ш. Абдуллин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКЕ

С ТВЕРДЫМ ЭЛЕКТРОДОМ

Ключевые слова: электрический разряд, многоканальный разряд, осциллограмма, колебания напряжения и тока,

электролитический катод, плазма.

Представлены результаты исследования колебаний напряжения и тока электрического разряда между электролитическим катодом и погруженным в него твердым анодом, а также функции распределения значения плотности вероятности тока разряда.

Keywords: electric discharge, multichannel discharge, oscillogram, voltage and current fluctuations, electrolytic

cathode, plasma.

Presented are investigations of fluctuations of voltage and current of an electric discharge between the solid anode immersed in the electrolytic cathode, and the distribution function of the value of the probability density of the discharge current.

Введение

Разработка новых методов модификации материалов, позволяющих улучшать эксплуатационные и потребительские свойства изделий, является актуальной проблемой промышленного производства, так как традиционные методы модификации материалов, практически исчерпали свои возможности. Перспективным методом совершенствования технологии производства и улучшения потребительских, технологических и эксплуатационных свойств материалов является использование низкотемпературной плазмы, в том числе, генерируемой с помощью разряда между твердым и электролитическим электродами [1-5].

Многоканальный разряд между твердым и электролитическим электродами обеспечивает повышение эффективности многих технологических процессов. Он позволяет производить очистку и полировку, упрочнение, газонасыщение и активацию поверхности материалов, обеспечивает одностадийное получение металлического порошка и т.д. [4]

Результаты экспериментального исследования колебания напряжения и тока многоканального разряда в широком диапазоне параметров играют важную роль в процессе одновременной очистки и полировки материалов и изделий. Это позволяет определить устойчивый режим работы опытно-промышленной установки для реализации технологии одновременной очистки и полировки в электролитической ячейке с твердым электродом.

Описание экспериментальной установки и методики измерений

Экспериментальные исследования колебания напряжения U и тока I разряда проведены в диапазоне I =0,5-12 А, U = 320-500 В при атмосферном давлении. В качестве электролитического катода использовался насыщенный раствор хлорида натрия в технической воде. Материал анода - медь марки М1.

Экспериментальная установка состоит из источника питания, электролитической ванны, двухлучевого осциллографа марки GDS-806S. Напряжение и ток разряда измерялись с помощью вольтметра М367 класса точности 0.5 и статического вольтметра С50 класса

точности 1.0, амперметром Ц-4311 класса точности 0.5 и мультиметром MY68 класса точности 0.5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1.5%.

Обсуждение результатов исследования

Результаты экспериментальных исследований электрического разряда между электролитическим катодом и металлическим анодом, входящим в электролит приведены на рис.1-4.

(Ах,и, вА

Рис. 1- Осциллограммы колебаний напряжения источника питания на холостом ходу ихх и напряжения и многоканального разряда

У, Ві

Рис. 2- Осциллограмма колебаний напряжения разряда при и :

атмосферном давлении

и с 320 В, I --

5 А при

1'\ t2 £з и Ы tб Ь

Рис. 3- Осциллограмма колебаний тока разряда при атмосферном давлении

80-

05Я) к1 5.000

Рис. 4 - Функция распределения значения плотности вероятности тока разряда при

атмосферном давлении

На рис. 1 показано изображение напряжений на холостом ходу ихх и в рабочем режиме и, когда твердый электрод входит в электролит. Как видно из рис. 1, максимальное значение величины ихх достигает 500 В, а величина амплитуды пульсации ихх составляет 150-200 В. Горение многоканального разряда приводит к резкому уменьшению величины напряжения разряда. Минимальное значение напряжения многоканального разряда составляет 40-50 В. Диапазон скачка напряжения может меняться в пределах Аи=40-300 В.

Известно, что после превышения некоторых критических величин плотностей тока и напряжения вокруг металлического анода образуется облако плазмы (т.н. парогазовая оболочка), оттесняющее электролит от поверхности металла [5]. В процессе горения многоканального разряда происходит турбулентное перемешивание плазмы разряда и электролита, вследствие чего наблюдается срыв парогазовой оболочки вокруг анода и разряд гаснет. Поэтому колебания напряжения и тока разряда имеют случайный характер. Это наглядно видно из рис. 2. Это выражается резким падением напряжения на участке осциллограммы и (рис. 2). Как видно из осциллограммы рис. 2, наблюдается множество микроканалов многоканального разряда. Эти высокочастотные микроканалы повторяются в каждом полупериоде напряжения.

Как видно из осциллограммы колебания тока разряда (рис. 3), в начальный момент времени Ц происходит электрический пробой между металлическим анодом и электролитическим катодом, а затем происходит ступенчатый переход к МР. В момент времени ^2 величина тока уменьшается до нуля. В момент времени Ь снова происходит пробой между электролитическим катодом и твердым анодом. В данном случае длительность горения МР увеличивается почти в три раза, этому соответствует промежуток времени от ^ до к. В момент времени ^6 ток разряда уменьшается до нуля. При ^ происходит электрический пробой между металлическим анодом и электролитическим катодом. В данном случае переход пробоя в МР отсутствует.

На рис. 4 представлена функция распределения значения плотности вероятности тока МР при атмосферном давлении. Точки - эксперимент, а сплошная линия расчет. После статистической обработки экспериментальных данных получено: среднее значение тока /ср=1,35 А, дисперсия, среднеквадратическое отклонение о = 0,652, моменты третьего порядка ш/3 = 0,431, моменты четвертого порядка ш/4=1,376. Рассчитаны распределения плотности вероятности тока, а также определена асимметрия А1=1,552, критерий по асимметрии для тока

0,16, эксцесса Е1 = 4,602, критерий по эксцессу для тока 0,316.. Сопоставление параметров асимметрии и эксцесса по току с их теоретическими критериями показывает, что

81

распределение плотности вероятности значения тока отличается от нормального.

Заключение

Таким образом, впервые установлен ступенчатый переход электрического пробоя между металлическим анодом и электролитическим катодом в МР, когда анод входит в электролит. Выявлены разновидности перехода пробоя в МР. Показан случайный характер колебаний напряжения и тока многоканального разряда в процессе модификации поверхности материалов и изделий. Полученный анализ колебаний напряжения и тока разряда позволяет выявить стабильные режимы работы опытной установки. Многоканальный разряд при нестационарном перемешивании плазмы и электролита существенно улучшает одновременную очистку и полировку. При этом достигается одновременная очистка и полировка до Ra < 0.1 мкм. Обнаружено, что распределение плотности вероятности значения тока отличается от нормального.

Литература

1. Гайсин, Ф.М. Электрические разряды в парогазовой среде с нетрадиционными электродами / Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон // Энциклопедия низкотемпературной плазмы / под ред. Фортова В.Е. М.: Наука, 2000. С. 241.

2. Mezei, P. Electrolyte cathode atmospherie glow dischartsyges for direct solution analysis / P. Mezei and T. Ceserfalvi. Appl. Spectrosc. Rev 42 (2007), 573 (обзор).

3. Лазаренко, Б.Р. Химико-термическая обработка металлов электрическими разрядами в электролитах при анодном процессе. / Б.Р. Лазаренко, В.Н. Дураджи, А.А. Фанторович и др. // Электронная обработка материалов, 1974. № 5. С. 11.

4. Гайсин, А.Ф. Паровоздушные разряды между электролитическим катодом и металлическим анодом при атмосферном давлении / А.Ф. Гайсин, Э.Е. Сон // ТВТ. - М., 2005. Т. 43. № 1. С. 5.

5. Дураджи, В.Н.. Химико-термическая обработка стали в электролитной плазме. / В.Н. Дураджи, А.М. Мокрова, Т.С. Лаврова // Изд. АН СССР, сер. Неорганические материалы, 1985. Т. 21. № 9. С. 1589.

© Л. Н. Багаутдинова - соиск. каф. технической физики КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, lilup@bk.ru; Ал. Ф. Гайсин - асп. той же кафедры, almaz87@mail.ru; Ш. Ч. Мастюков - соиск. той же кафедры, shamil.74@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.