Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
Рис. 7.3. Нанесение покрытия с помощью распылителя 1 4 3 2 Воздух Рис. 7.4. Нанесение покрытия в камере с кипящим слоем При нанесении покрытий распылителем (рис. 7.3) порошковый материал забирается из загрузочного бункера (2) дозирующим эжектором и во взвешенном состоянии в потоке воздуха по гибкому трубопроводу подается к распылителю (1), который выполняет две функции: формирует порошковое облако вокруг изделия и осуществляет зарядку частиц порошка. Зарядка частиц осуществляется в поле коронного разряда между иглой (4), которая соединена с источником постоянного напряжения, и заземленным изделием (3). Если частицы приобретают избыточный заряд внутри корпуса распылителя, то он называется распылителем с внутренней зарядкой. Зарядка может осуществляться как в поле коронного разряда, создаваемого внутри корпуса распылителя, так и путем статической электризации частиц порошка при трении о внутренние стенки полостей в корпусе распылителя (который в этом случае называется трибоэлектрическим распылителем). При осуществлении зарядки частиц в поле коронного разряда внутри корпуса распылителя должны учитываться следующие два фактора: запирание коронного разряда ионами, осевшими на внутренние стенки камеры, в которой создается коронный разряд, и осаждение заряженных частиц порошка на заземленный электрод зарядного устройства, что приводит к возникновению обратного коронного разряда в образующемся слое порошка на электроде и к ухудшению зарядки частиц порошка. ВН воздух порошок+ +воздух воздух 3 2 1 Рис. 7.5. Распылитель с внутренней зарядкой На рис. 7.5 показано зарядное устройство, в котором неблагоприятные факторы решаются, во-первых, увеличением объема межэлектродного пространства и, во-вторых, созданием дополнительных воздушных потоков через пористый заземленный электрод − 2, препятствующих осаждению частиц на некоронирующий электрод. Кроме того, поток порошкового материала, подающийся в поле коронного разряда по диэлектрической трубке − 3, обжимается чистым потоком воздуха и направляется узкой струей на кончик коронирующей иглы − 1, способствуя приобретению частицами порошка зарядов в области с высокой напряженностью электрического поля. Зарядные устройства трибоэлектрических распылителей должны удовлетворять следующим трем условиям необходимым для эффективной зарядки напыляемого материала: — обеспечивать многократные и эффективные соударения частиц порошка с трибоэлектризующим элементом; — производить снятие поверхностного заряда с трибоэлектризующего элемента; — обеспечивать стабильность процесса трибозарядки. Увеличение числа и эффективности актов соударения частиц с поверхностью зарядного устройства достигается турбулизацией несущего частицы потока воздуха, изменением направления его движения и увеличением скорости потока, а также подбором материала трибоэлектризующего элемента по отношению к материалу наносимого порошка. Часто трибоэлектризующие устройства выполняются в виде изогнутых трубок, спиралей, винтовых каналов в цилиндре, электродов и т.д. Трибоэлектризующий элемент обычно выполняется из диэлектрического материала. В связи с этим при работе на поверхности трибоэлектризующего элемента накапливается заряд по знаку противоположный заряду частиц, что ухудшает эффективность статической электризации. Снятие поверхностного заряда с внутренней поверхности каналов достигается или введением заземленного цилиндрического электрода с малым радиусом закругления, или вводом через стенки множества заземленных игл во внутреннюю полость каналов. Стабильность процесса статической электризации обеспечивается поддержанием неизменной влажности осушенного воздуха, используемого для транспортировки порошка, на уровне − 10°С точки росы. Если зарядка частиц порошка осуществляется в поле коронного разряда, создаваемого между коронирующими электродами, расположенными в области выходного сопла распылителя, и заземленным изделием, то такое устройство называется распылителем с внешней зарядкой. В качестве коронирующих электродов может использоваться одна или несколько игл, коронирующая кромка. Величина заряда частиц, приобретаемого в поле коронного разряда, определяется предельным зарядом и степенью недозарядки ξ m q q = , где q m − предельный заряд, определяемый по (5.9), ξ − степень недозарядки из-за ограниченного времени зарядки. В соответствии с (5.9) Jt E Jt kt en kt en + = + = 0 0 0 0 4 4 ε ε ξ , где J = en 0 kE − плотность тока. Видно, что для увеличения заряда частиц необходимо увеличивать напряженность электрического поля и плотность тока коронного разряда. Наличие заряженного дисперсного материала в промежутке между распылителем и изделием вызывает запирание (уменьшение) тока коронного разряда, а значит увеличивает степень недозарядки частиц. Причем, с увеличением расхода порошка через распылитель степень недозарядки продолжает уменьшаться. Поэтому для улучшения зарядки частиц порошка следует стремиться увеличить плотность тока короны. Однако здесь существует ограничение, связанное с быстрым возникновением обратной короны в слое порошка, осевшем на изделии, которая ухудшает процесс зарядки. В настоящее время считается, что оптимальным значением тока коронного разряда является величина 5 ÷10 мкА. Распылители с внешней зарядкой обладают наибольшей эффективностью зарядки порошкового материала, так как время пребывания частиц в поле коронного разряда, по сравнению с другими устройствами, здесь максимально. Второй вариант устройств для нанесения покрытий представляет собой камеру с электрическим кипящим слоем, в которую помещается изделие − 1 (рис. 7.4). Камера делится пористой перегородкой − 2 на две части. В верхнюю часть на пористую перегородку насыпается порошковый материал − 3, а в нижнюю − подается сжатый воздух. При определенной скорости воздуха, проходящего через пористую перегородку, порошок переводится во взвешенное состояние, при котором частицы как бы витают в восходящем потоке воздуха. Из-за хаотичности движения частиц происходит их соударение между собой, что приводит к статической электризации частиц и зарядка их как отрицательным, так и положительным зарядом. Электрическое поле, создаваемое между высоковольтным электродом, размещенным в порошковом слое, и заземленным изделием, вызывает разделение частиц в кипящем слое по знакам заряда. При приложении отрицательного напряжения к высоковольтным электродам положительно заряженные частицы накапливаются вокруг высоковольтного электрода, а отрицательно заряженные − в верхней части кипящего слоя порошка. Частицы, имеющие достаточно большой отрицательный заряд, выносятся электрическим полем из кипящего слоя и направляются к изделию. Из-за большой концентрации частиц в кипящем слое коронный разряд у поверхности высоковольтных электродов находится в полностью запертом состоянии. По мере накопления положительно заряженных частиц вокруг высоковольтных электродов происходит разряд и импульсное локальное отпирание коронного разряда, при котором осуществляется перезарядка частиц. Таким образом, в электрическом кипящем слое зарядка частиц носит сложный характер, сочетающий статическую электризацию частиц и зарядку в газовом разряде. Процесс транспортировки частиц порошка к напыляемому изделию осуществляется в потоке воздуха. При этом соотношение аэродинамических и электрических сил, действующих на частицу, сильно отличается для разных устройств, используемых для нанесения покрытий. Если для распылителей с внутренней зарядкой транспортировка частиц осуществляется исключительно потоком воздуха, то в камерах с электрическим кипящим слоем направление движения частиц к изделию создается в основном электрическим полем. Для распылителей с внешней зарядкой перемещение частиц к изделию в равной мере определяется аэродинамическими и электрическими силами. При осаждении порошка на поверхность изделия, как видно из схем устройств напыления, представленных на рис. 7.3 и 7.4, на частицу действует электрическая сила в направлении к поверхности изделия и аэродинамический поток воздуха, направленный вдоль поверхности, который способствует скорее отрыву частиц, чем осаждению. Электрическое поле у изделия в общем случае является суммой полей от напряжения на высоковольтных электродах и от объемного заряда частиц. Причем напряженность электрического поля объемного заряда порошка может иметь значительную величину, а при большой концентрации частиц даже превышать напряженность поля коронного разряда, достигая значений 10 кВ/см. Для распылителей с внутренней зарядкой электрическое поле у изделия создается исключительно объемным зарядом частиц. Поэтому, с точки зрения увеличения напряженности электрического поля, целесообразным является увеличение расхода порошка через распылитель. Особенно эффективно использовать большой (до 20 кг/ч) расход порошка при нанесении покрытий на изделия сложной формы с внутренними заэкранированными полостями, в которые внешнее поле не проникает. Однако с увеличением расхода порошка эффективность зарядки частиц снижается, а значит уменьшается электрическая сила, действующая на частицу, что приводит к снижению потока частиц, осаждающихся на поверхность изделия. Интенсивность процесса осаждения обычно характеризуется величиной плотности потока массы порошка St m F = , где m − масса порошка, осевшего на поверхность изделия площадью S; t − время напыления. В результате снижения потока частиц коэффициент осаждения порошка на изделие уменьшается. Коэффициент осаждения определяется как доля порошкового материала, осажденного на изделие, по отношению к общему расходу материала через распылитель. По мере нарастания толщины слоя порошка на поверхности изделия напряженность электрического поля в слое возрастает до пробивных значений. Возникающие разрядные явления в слое порошка носят название «обратный коронный разряд». Время возникновения обратной короны находится из условия накопления заряда в слое и вычисляется по формуле: J E t пр 0 сл ок 2 ε ε = Здесь ε сл - относительная диэлектрическая проницаемость порошкового слоя, вычисляемая по формуле: ε сл = ε k , где ε − относительная диэлектрическая проницаемость материала напыляемого порошка; k − коэффициент упаковки, характеризующий пористость слоя, равен отношению толщины оплавленного покрытия к толщине неоплавленного слоя: γ S h m h h k сл сл опл = = , где γ − плотность материала порошка. Так как в полученном выражении для времени возникновения обратной короны пробивная напряженность слоя Е пр зависит от плотности тока на изделие, была получена другая формула для времени возникновения обратного коронного разряда > < = − − 2 8 , 0 сл 2 68 , 0 сл мкА/м 125 при 72 мкА/м 125 при 40 J j J j t ε ε где J в мкА/м 2 , t в секундах. При обратном коронном разряде из порошкового слоя внешним электрическим полем в пространство над слоем порошка вытягиваются ионы, противоположные по знаку зарядам осаждающихся частиц. Ионы обратной короны разряжают подлетающие к изделию частицы, в результате падает плотность потока массы порошка, осаждающегося на изделие, и замедляется рост толщины слоя (рис. 7.6.). При обработке экспериментальных результатов, полученных разными авторами, установлено, что спад плотности потока массы после возникновения обратной короны соответствует экспоненциальному закону: ( ) τ ок 0 exp t t F F − − = , где F 0 − плотность потока массы до возникновения обратной короны; τ = 1,2t ок − эквивалентная постоянная времени. Полученное выражение позволяет определить плотность потока массы порошка, осаждающегося на изделие, для любого момента времени вплоть до бесконечно больших значений времени, когда существует развитая обратная корона и практически прекращается осаждение порошка на изделие. I t t ок I k F F 0 t t ок Рис.7.6. Зависимость тока и плотности потока осаждающихся на изделие частиц наносимого порошка от времени напыления Кроме того, появление развитого обратного коронного разряда вызывает образование кратеров в порошковом слое, что ухудшает качество получаемого оплавленного покрытия. Исходя из этого, было определено время нанесения покрытия, при достижении которого еще не происходит заметного снижения осаждения порошка на изделие и ухудшения качества конечного покрытия. Рациональное время напыления равно: t рац = t ок + 0,5 τ = 1,6 t ок Зная рациональное время напыления и зависимость для плотности потока массы, интегрированием вычисляется масса осевшего порошка и при известной плотности материала определяется толщина получаемого качественного оплавленного покрытия: h опл = 1,47 F 0 t ок / γ. Отличие при нанесении порошковых покрытий распылителями с внешней зарядкой состоит в том, что по сравнению с распылителями с внутренней зарядкой и камерами с электрическим кипящим слоем в факеле распыленного порошка присутствуют как заряженные частицы, так и газовые ионы, создаваемые при коронном разряде. Поэтому, как только на поверхности изделия образуется сплошной порошковый слой, сразу происходит его подзарядка ионами, движущимися к изделию под действием электрического поля. Подзарядка слоя током коронного разряда существенно сокращает время образования обратной короны, что ограничивает качественное прокрашивание заэкранированных участков изделия сложной формы. Одним из путей уменьшения подзарядки слоя порошка током коронного разряда является согласование распределения концентрации частиц в факеле распыленного порошка с плотностью тока коронного разряда на поверхности изделия (рис. 7.7). Видно, что при согласованном факеле наблюдается примерно одинаковая плотность тока коронного разряда по всему отпечатку факела на поверхности изделия, и отсутствуют участки с повышенной подзарядкой током прямой короны. a) б) в) г) Рис. 7.7. Распределение плотности тока по отпечатку факела при а ) отсутствии подачи порошка через распылитель; б) согласованном факеле порошка; в ) широком факеле; г) узком факеле порошка 8. ЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИЯ 8.1. Классификация сепараторов Электрическая сепарация минерального сырья представляет собой процесс разделения сыпучих смесей веществ по физическому составу, крупности или форме с использованием энергии электрического поля. Электрическая сепарация используется для двух целей: электрического обогащения и электрической классификации. Электрическое обогащение − процесс разделения смесей веществ по их физическим свойствам. Электрическая классификация − процесс разделения частиц одного вещества по размерам частиц. Физические закономерности электрического обогащения и классификации имеют общие основы. Трибоэффект открыл в 600 году до н.э. Фалес Милетский, который обнаружил электризацию янтаря при натирании его мехом или сукном. Однако только в 1881 году был зарегистрирован патент на способ электрического разделения золота и кварца. Таблица 8.1 Классификация сепараторов По способу сепарации: По электропроводнос ти Трибо- электростатичская Пиро- электрическая Диэлектричская (по ε) По характеристи кам поля в рабочем промежутке: − электростатическ ая − коронная − коронно- электростатическ ая Электростатическая Конструктивн ые признаки: − в тонком слое: барабанные, лотковые − в объеме: камерные, с кипящим слоем, флюидизационные, − пневматические дутьевого типа В настоящее время осуществляют обогащение: железных, титановых, оловянных и других руд цветных металлов; разделение смеси порошков, различающихся по физическим свойствам. Классификация осуществляется при разделении асбеста и слюды по форме; алмазных порошков по размерам. Классификация электросепараторов производится по физическим принципам, составляющим основу процесса разделения, и по конструктивным признакам. 8.2. Сепарация по электропроводности 8.2.1. Барабанные электростатические сепараторы На барабанных электростатических сепараторах осуществляется разделение сыпучих веществ, имеющих различную удельную электропроводность. На рис. 8.1. представлена конструкция такого сепаратора. Электростатическое поле создается между некоронирущим высоковольтным электродом 3 и заземленным барабаном (осадительным электродом) 2. Частицы разделяемых материалов из дозатора попадают на поверхность вращающегося барабана. После перемещения их в зону электростатического поля проводящие частицы в результате контактной зарядки приобретают заряд противоположный по знаку потенциалу высоковольтного электрода. Возникающая при этом сила электрического поля отрывает частицы от поверхности барабана и они попадают в приемник III. Непроводящие частицы не успевают приобрести избыточный заряд и под действием сил тяжести падают в приемник I. В приемник II попадает смесь из проводящих и непроводящих частиц, не прошедших разделение. Скорость вращения барабана составляет 40 ÷400 об/мин. Напряженность электростатического поля Е эл.ст = 3 ÷4 кВ/см. Производительность сепаратора на погонный метр длины составляет Q ≈ 2 т/(м⋅ч). Диаметр сепарируемых частиц находится в диапазоне 100 мкм ÷ 3 мм. 8.2.2. Барабанные коронные сепараторы Для более эффективного разделения материалов по проводимости стали использовать сепараторы, у которых зарядка частиц осуществляется в поле коронного разряда. Это приводит к появлению заряда на непроводящих частицах, причем того же знака, что и коронирующий электрод. Значит, возникает электрическая сила, удерживающая эти частицы на поверхности барабана в зоне разделения материалов. Кроме того, непроводящие частицы удерживаются на поверхности барабана силами зеркального отображения вплоть до удаления их с помощью скребка. В результате разделение проводящих и непроводящих материалов происходит на разных сторонах поверхности барабана, что обеспечивает более селективное отделение проводников от непроводников. |