Методические рекомендации по изучению дисциплины Файл

Темы лекционного курса по дисциплине «Физика ЭТП»
Тема 1 Физико-технологические основы электротермии
Основные понятия «Электротермии». Способы преобразования
электрической энергии в тепловую Основные законы теплопередачи
(теплопроводность, конвекция, излучение)
Теплопередача в электротермических установках. Основные
материалы, применяемые в электротермических установках и требования,
предъявляемые к ним.
Методические указания.
При изучении темы обратить внимание на разнообразие способов
электротермической обработки материалов. При этом уделить особое
внимание на основные понятия, которые определяют физическую сущность
электротермии, например: классификацию теплопередачи ; классификация
материалов, проводящих электрический ток объяснение проводимости
металлов с позиций электронной теории; классификация теплопередачи и
понятие прямого и косвенного нагрева материалов с помощью электрической
энергии; закономерности теплопроводности и конвекции с позиции
молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Вопросы для самопроверки:
1. Виды агрегатного состояния вещества.
2. Какие способы преобразования электрической энергии в тепловую
составляют понятие «электротермия».
3. Отличие теплопередачи за счёт теплопроводности и конвекции;
4. От каких факторов зависит интенсивность теплопередачи?
5. От каких факторов зависит интенсивность конвективного теплообмена?
6. В чём сущность передачи теплоты излучением?
7. В чем сущность естественной (свободной) конвекции?
8. В чем сущность вынужденной конвекции?
9. Параметры теплового потока конвективного теплообмена?
10.В какой форме передается теплота излучением энергии?
11.
Тема 2. Сущность нагрева сопротивлением.
Физическая сущность процессов, протекающих в устройствах нагрева
сопротивлением. Природа и физическая сущность электрического
сопротивления. Нагревательные элементы. Устройства и установки
электрообогрева. Электрокалориферы, радиационные электронагреватели,
электрические
сушилки,
электрические
отопительные
устройства.
Электрические печи, сопротивления, назначение печей непрерывного и
периодического действия, принцип работы. Нагрев заготовок за счёт
собственного сопротивления.
Электропечи сопротивлением для плавки металлов. Установки прямого
(контактного) и косвенного нагрева расплавляемых металлов. Нагрев
сопротивлением жидких сред. Жидкостные электропечи сопротивлением для
нагрева металла. [1]
Методические указания.
Изучение данной темы базируется на элементарных понятиях прохождение электрического тока в различных проводниках ( первого,
второго рода и др.). Проводимость электрического тока и сопротивление в
металлах следует
изучать с позиций электронной теории. Обратить
внимание на особенность проводимости переменного электрического тока в
электролитах и влияние температуры проводников первого и второго рода на
проводимость вспомните закономерности тепловыделения при прохождении
тока.
При
изучении
конструкций
нагревательных
элементов
и
электротермических нагревательных устройств обратить внимание на
используемые материалы и области их применения.
Вопросы для самопроверки.
1. Какие частицы переносят электричество в металлах ?
2. Какие частицы переносят электричество в расплавах и электролитах?
3. Чем обусловлена величина сопротивления в электролитах?
4. Материалы, используемые для нагревательных элементов.
5. Что представляет собой колпак в колпаковой печи и его назначение?
6. Формы теплопередачи в электрических печах сопротивлением.
7. В чем сущность электрического сопротивления металлов?
8. Из каких материалов изготавливается конвейер электрической печи
сопротивлением непрерывного действия?
9. Укажите область применения тигельных печей.
10.В чем отличие электрических печей сопротивлением прямого и
косвенного действия? Приведите пример.
Тема 3 Физико-технические основы индукционного нагрева.
Особенности индукционного ввода энергии. Схемы индукционного
нагрева. Параметры индукционного нагрева. Источники энергии для
индукционного нагрева.
Условия поверхностного и глубокого
индукционного нагрева. Индукционные нагревательные и плавильные
установки. Индукционные канальные печи, их конструкции (шахтные,
барабанные, двухкамерные). Индукционные тигельные печи. Индукционная
плавка без соприкосновения расплава с футеровкой (гарнисажная плавка,
струйная плавка, плавка во взвешенном состоянии). Индукционный
поверхностный нагрев в технологических процессах обработки металлов.
Индукционные нагревательные установки.
Формы индукторов.
Индукционная наплавка, физическая сущность, особенности и область
применения. [1,9]
Методические указания.
Прежде чем приступить к изучению этой темы необходимо вспомнить
некоторые понятия из курса электротехники, например:
- Электромагнитная индукция и самоиндукция. Принцип работы
трансформатора и зависимости электромагнитной индукции вторичной
обмотки от конструктивных параметров трансформатора;
- Взаимодействие проводника с током помещённого в магнитное поле.;
- Особенности прохождения переменного тока по поперечному сечению
проводника (скин-эффект).
Используя упомянутые «положения» можно легко понять основные
принципы индукционного нагрева и плавки металлов, в том числе:
нагрева в зависимости от частоты переменного тока индуктора. основные
конструктивные и электрические параметры индукционных установок;
перемещения и перемешивания жидких металлов с использованием пинчэффекта; глубина индукционного нагрева.
Вопросы для самопроверки.
1. Опишите явление электромагнитной индукции;
2. В чём сходство принципа работы трансформатора и индукционной
канальной плавильной печи?
3. Каким образом используется скин–эффект в конструкциях индукционных
нагревательных установок?
4. На каком явлении электротехники построены насосы по перекачке
жидкого расплавленного металла?
5. Какое явление электротехники используется для перемешивания жидкого
металла в канальных индукционных печах?
6. Какие конструктивные параметры индукционных печей главным образом
определяют КПД печи?
7. Какие параметры электрического тока определяют глубину прогрева
заготовки при индукционном нагреве?
8. Какие методы индукционного нагрева используются для расплава
химически активных расплавов?
9. Какими конструктивными особенностями обладают индукторы для
нагрева и плавки?
10.Частоты переменного тока используемые при индукционном нагреве.
11.
Тема 4 Физические основы диэлектрического нагрева.
Сущность нагрева диэлектриков в электростатическом поле.
Поляризация атомов и молекул. Основные узлы установки для
диэлектрического нагрева. Области применения диэлектрического нагрева
(сварка пластмасс и полимерных плёнок, полимеризация клеёв, нагрев
больших поверхностей, сушка, обжиг и др.). [1],[2].
Методические указания.
При изучении данной темы необходимо чётко представлять разницу
между
электрическими
свойствами
диэлектрика
и
проводника
электрического тока, кроме того необходимо вспомнить физический смысл
напряжённости электрического поля и воздействие этого поля на атомы и
молекулы, помещенные в это поле. Необходимо вспомнить явление
ионизации атомов под воздействием напряженности электрического поля и в
чем отличие ионизированного и поляризованного атома.
Вопросы для самопроверки.
1. Что такое напряжённость электрического поля, его физический смысл?
2. Что произойдёт в рабочей зоне установки диэлектрического нагрева, если
под действием высокой напряжённости электрического поля произойдёт
ионизация газов?
3. В чём основное преимущество диэлектрического нагрева от нагрева
традиционными методами?
4. Диэлектрический нагрев - прямого или косвенного нагрева?
5. Какое явление называют поляризацией атома?
6. Какими параметрами характеризуется диполь?
7. Каковы основные параметры диэлектрического нагрева?
8. Основные параметры установок диэлектрического нагрева.
9. Какие основные узлы установки для диэлектрического нагрева.
10.Технологическое использование диэлектрического нагрева.
Тема 5 Плазменные технологические процессы
Физико-технические основы плазменной технологии. Устройства
получения низкотемпературной плазмы. . Конструкция термоэлектрода и
принцип его работы. Физические явления в плазматронах. Высокочастотные
плазмотроны. Плазменные плавильные установки. Установка плазменного
нанесения покрытий и наплавки металла со специальными свойствами.
[1],[6],[4].
Методические указания.
Для понимания процессов, протекающих в процессе плазменной обработки
необходимо воспользоваться знаниями, полученными при изучении физики,
теории сварочных процессов и др., в которых изучались электрические
разряды в газах и свойства плазмы электрического разряда. При этом
необходимо знать: что представляет собой электрический разряд в газах; что
представляют собой процессы ионизации атомов и деионизации; какие виды
энергии используются для ионизации; свойства токопроводящего
плазменного канала разряда и способы изменения его температуры и
размеров.
Затем
следует
приступить
к
изучению
генераторов
низкотемпературной плазмы, в т.ч. и устройств высокочастотного дугового
разряда, плазменных плавильных и др. установок.
Вопросы для самопроверки.
1. Способы уменьшения эрозии электродов.
2. Сущность стабилизации дуги в плазмотроне с вихревым потоком.
3. Какие
конструкции
катодов
используются
в
плазмотронах
низкотемпературной плазмы.
4. Принцип работы высокочастотного индукционного плазмотрона.
5. Принцип работы высокочастотного ёмкостного плазмотрона.
6. Технологическое использование высокочастотных плазмотронов.
7. Сущность и область применения вакуумной плазменной технологии.
8. Области применения плазменной технологии.
9. Конструкция термохимического катода, используемого в плазмотронах.
10.Почему термохимические катоды способны эффективно работать не в
среде инертного газа, а в воздухе?
11.
Тема 6 Физико-технические основы электронно-лучевого нагрева.
Сущность электронно-лучевого нагрева и область его применения:
плавка, правка в вакууме, локальный переплав, испарение в вакууме,
размерная обработка электронным лучом, термообработка, нанесение
покрытий и др. Основные узлы и
конструкции электронно-лучевых
установок. [1]
Методические указания.
При
изучении
данной
темы
необходимо
воспользоваться
методическими знаниями темы 4 в части выяснения сущности процессов
электронной эмиссии, ионизации газов и способами их управления.
Следует обратить внимание на широкое использование в ЭЛУ термо- и
автоэлектронной эмиссии и особую конструкцию, в связи с этим, катодных
узлов. Особо необходимо обратить внимание на конструкцию анодов в ЭЛУ
и необходимость откачки газов из внутренней полости ЭЛУ в течение всего
времени её работы.
Вопросы для самопроверки:
1. Основные узлы электронно-лучевой установки.
2. Почему в ЭЛУ используются два катода?
3. Почему анод ЭЛУ имеет тороидальную форму.
4. За счёт какой энергии движутся электроны в ЭЛУ после прохождения ими
плоскости анода?
5. Какую опасность для ЭЛУ представляют собой газы, выделяющиеся с
поверхности расплавляемого металла электронным лучом.
6. Чем обусловлена биологическая опасность ЭЛУ для операторов.
7. С какой целью выполняется непрерывная откачка газов из камер ЭЛУ?
8. В чём сущность размерной обработки с помощью ЭЛУ и можно ли
применять ее для обработки диэлектриков?
9. Каким образом вакуум ЭЛУ выполняет роль технологической среды при
получении особо чистых материалов?
10.Укажите области применения ЭЛУ в технологических целях.
Тема 7 Электрохимическая обработка
Основные положения о прохождении электрического тока через
электролиты. Сущность анодного растворения металлов. Электролиз
растворов и расплавов. Электрооборудование электролизных производств.
Применение электрохимической обработки (ЭХО) материалов в
машиностроении (очистка поверхности, профилирование, химполирование и
др.). Нанесение металлопокрытий,
анодирование, гальванопластика.
Источники питания установок электрохимической обработки. [1],[3],[2].
Методические указания.
При изучении данной темы необходимо, во-первых вспомнить каким
образом переносятся электрические заряды в проводниках первого и второго
рода; а
во-вторых, каким образом осуществляется непрерывность
прохождения электрического тока в электрической цепи через ванну с
электролитом (проводником второго рода) и источник питания (проводник
первого рода). Осознание этого процесса позволит легко понять сущность
анодного растворения металла и все виды его технологического
использования: размерная обработка металлов, нанесение металлопокрытий, получение химически чистых металлов и др.
Вопросы для самопроверки:
1. В чём сущность анодного растворения металлов?
2. Сущность размерной обработки с помощью анодного растворения.
3. Процесса получения химически чистых металлов с помощью (ЭХО).
4. Технология металлопокрытия с помощью анодного растворения.
5. Каким образом зависят технологические показатели ЭХО (скорость съёма
металла и др.) от механических свойств обрабатываемого металла:
твёрдость, вязкость и др.?
6. Каким образом зависит скорость анодного растворения металла от
теплофизических свойств обрабатываемого металла?
7. ЭХО–энергоёмкий процесс. Оправдайте его применение.
8. Какой электрический параметр режима ЭХО определяет скорость съёма
металла с обрабатываемой поверхности?
9. Параметры режима ЭХО определяющие точность обработки.
10.Укажите состав оборудования для ЭХО.
11.
Тема 8 Электроэрозионная обработка материалов.
Физические основы и общие характеристики электроэрозионной
обработки (ЭЭО) металлов. Разновидности электроэрозионной обработки и
элементы её оборудования. Параметры режимов (ЭЭО). Электроконтактная
обработка. Особенность процесса электроконтактной обработки, параметры
режима обработки. [1],[2],[3]
Методические указания.
В данном методе обработки используется энергия электрического
разряда. Поэтому для понимания процессов ЭЭО необходимо вновь
обратиться к вопросам, рассматриваемым ранее в теме 5. Следует обратить
внимание, что ЭЭО обработка выполняется в диэлектрической жидкости, а
возбуждение разряда происходит с холодным катодом без предварительного
короткого замыкания за счёт высокой напряжённости электрического поля.
Главной особенностью этого процесса является то, что эффективность
процесса тем выше, чем выше электрическая прочность рабочей жидкости.
Электрод – инструмент – катод подбирается в паре с анодом таким образом,
чтобы катод не расходовался, а анод имел максимальную эрозию.
Вопросы для самопроверки:
1. Какое явление в электротехнике называют электрической эрозией?
2. В каких случаях электрическая эрозия носит негативный характер?
3. В чём сущность управляемой электрической эрозии?
4. Какую форму электрического разряда используют при ЭЭО?
5. Из каких фаз электрофизических процессов состоит ЭЭО?
6. Какие жидкости используются при ЭЭО и почему?
7. Какие параметры режима характеризуют ЭЭО?
8. Как изменяются напряжение и сила тока во времени при ЭЭО?
9. Какие виды энергии определяют мощность теплового потока на аноде?
10.Что понимают под термином: электроэрозионная обрабатываемость?
Тема 9 Электрохимико-механическая обработка в электролитах
Физические основы электрохимико-механической обработки (ЭХМО)
в электролитах. Сущность анодно-абразивной обработки (ААО). Основные
узлы установки и параметры режимов анодно-абразивной обработки.
Анодно-механическая обработка (АМО). Основные узлы установки и
параметры
режимов
анодно-механической
обработки.
Область
рационального применения (ЭХМО). [1].
Методические указания.
Эта тема легко усваивается, в том случае, если не было проблем при
изучении предыдущих разделов: электро-химическая обработка (ЭХО);
электроэрозионная обработка (ЭЭО).
Поскольку процесс ЭХМО протекает в электролитах и основная цель – съём
металла с обрабатываемой поверхности, а основная энергия – электрическая,
то нетрудно догадаться, что при ЭХМО одновременно присутствуют ЭХО –
анодное растворение металла; ЭЭО и механическая обработка. В
зависимости от величины отдельных параметров режима обработки
эффективность съёма металла будет определяться одним из рассмотренных
методов, а действие остальных будет снижено, либо вообще отсутствовать. С
учётом этих положений и выбрано название процессов: анодно-абразивная
обработка, анодно-механическая обработка.
Вопросы для самопроверки:
1. В чём сущность ЭМО?
2. В чём сущность ААО?
3. Роль абразивной обработки при ААО.
4. Какие факторы определяют электрополирование при ААО и АМО?
5. Какими факторами определяется величина усилия прижатия инструмента
к обрабатываемому изделию при АМО?
6. Какая рабочая среда используется при ЭМО?
7. Какие источники ЭДС используются при ЭМО?
8. Какие виды энергий преобладают при ААО?
9. За счёт какого вида обработки в основном происходит формообразование
при АМО?
10.Какой вид электролита используется при АМО?
Тема 10 Ультразвуковая обработка матералов.
Физические основы ультразвуковой обработки(УЗО). Элементы
оборудования ультразвуковых установок (источники ультразвуковых
колебаний). Акустические трансформаторы скорости. Источники питания
ультразвуковых установок. Технологическое использование ультразвуковых
колебаний в промышленности (ультразвуковые процессы с силовым
воздействием
на
обрабатываемый
материал).
Интенсификация
технологических процессов при обработке материалов. Ультразвуковые
методы контроля.[1],[2]
Методические указания.
При изучении этой темы обратить особое внимание на способы
получения ультразвуковых колебаний (УЗК) особенно с использованием
магнитно-стрикционных и пьезоэлектрических преобразователей, а так же на
способы ввода УЗК в зону обрабатываемого материала.
Вопросы для самопроверки:
1. Что такое УЗК?
2. В чём сущность магнитно-стрикционного эффекта?
3. В чём сущность пъезоэффекта?
4. Преимущество и недостатки магнитно-стрикционных преобразователей?
5. В чём сущность размерной УЗО?
6. Какие механические свойства обрабатываемого материала определяют
производительность и качество УЗО?
7. Для какой цели используются акустические трансформаторы?
8. Параметры УЗО определяющие коэффициент концентрации колебаний.
9. Какие свойства УЗК используются при ультразвуковом контроле?
10.Какие виды технологических операций выполняют с помощью УЗК?
Тема 11 Магнитно-импульсная обработка металлов.
Сущность магнитно-импульсной обработки (МИО). Основные узлы
генератора импульсов тока, их назначение. Виды МИО (обжим, раздача,
штамповка и др.) Параметры режимов МИО. Взаимосвязь параметров
режимов (частота разрядного тока, емкость накопителя и др.) и величины
механического воздействия на обрабатываемую деталь. [1],[9].
Методические указания.
Понимание сущности магнитно-импульсной обработки (МИО)
базируется на элементарных понятиях электротехники, которые
использовались при изучении индукционного нагрева. Однако следует особо
обратить внимание на то, что эффективность МИО определяется не только
мощностью электрической энергии, но во многом определяется скоростью
нарастания электрического тока в индукторе (частоты разрядного тока), а для
этого необходимо дополнительно вспомнить явление разряда конденсатора в
колебательном контуре «L – C» .
Вопросы для самопроверки:
1. Основные элементы электрической схемы установки МИО.
2. В чём сущность МИО при обработке металлов давлением?
3. К каким негативным последствиям может привести невысокая скорость
нарастания разрядного тока в индукторе?
4. Взаимосвязь скорости нарастания разрядного тока с его частотой.
5. От каких электрических параметров цепи разрядного контура установки
МИО зависит частота разрядного тока?
6. От каких параметров зависит величина энергии, запасённой в накопителе
(батареи конденсаторов)?
7. Соотношение величин индуктивности и ёмкости разрядного контура
(больше - меньше), что бы эффективность МИО была максимальной.
8. На каком электромагнитном явлении основан принцип работы насосов по
перекачке расплавленных металлов?
9. Принцип работы кондукционного насоса.
10.Принцип работы насоса – трансформатора (индукционного насоса).
Тема 12 Электрогидравлическая обработка материалов.
Физические основы электрогидравлического эффекта (ЭГО). Основные
узлы установки для ЭГО Технологическое использование высоковольтного
разряда в жидкости. Очистка литья. Формообразование. Тонкое измельчение
[1],[2],[3].
Методические указания.
Для изучения сущности электрогидравлической обработки необходимо
использовать базовые знания, которые были необходимы для изучения
явления ЭЭО – в первую очередь явление искрового разряда и сущность
автоэлектронной эмиссии и возникновения канала проводимости в
непроводящей жидкости или газах. Кроме того необходимо вспомнить из
курса физики – сущность возникновения ударной волны в газах и жидкости.
Следует обратить внимание на то, что электрические схемы ЭГО и МИО
абсолютно идентичны, а также на то, что эффективность этих процессов
определяется параметрами и формой разрядного тока в колебательном
контуре «L – C».
Вопросы для самопроверки:
1. В чём сущность ЭГО?
2. Какое физическое явление является основой создания ударной волны?
3. Условные стадии образования и развития искрового разряда?
4. Какие заряженные частицы создают лидерную стадию пробоя?
5. Какое электрофизическое явление определяет интервал времени,
лидерной стадии пробоя промежутка?
6. Какие электрофизические явления составляют основу стадии яркой
вспышки разряда промежутка?
7. На какой стадии разряда возникает ударная волна?
8. Какое физическое явление определяет удар волны при разряде?
9. Способы изменения формы ударной волны.
10.Области использования электрического разряда в жидкостях.
Тема 13. Электрокинетические методы обработки.
Основы электронно-ионной технологии. Характеристика электронноионных процессов. Заряд частиц в электрическом поле. Движение
заряженных частиц в электрическом поле. Осаждение в электрическом поле.
Электростатические промышленные установки. Принцип действия и
устройство электрофильтров. Источники питания электрофильтров и
регулирование их параметрами. Электростатические технологические
процессы и их оборудование (разделение суспензий, разделение эмульсий,
разделение сыпучих смесей, окраска металлических изделий) [1],[2],[3].
Методические указания.
При изучении данной темы необходимо вспомнить из курса физики
такие явления как электризация, материалов или зарядка материальных
частиц, а также сущность коронного электрического разряда. Эти явления с
использованием электрического поля высокой напряжённости нашли
широкое распространение в промышленности под общим названием
электроионной технологии (ЭИТ).
Следует обратить внимание на различие массопереноса через
промежуточную среду при ЭИТ и при электролизе.
При изучении электростатических технологических процессов, где
коронный разряд используется для электризации фильтрующих частиц,
обратить внимание на необходимость создания резкого неоднородного
электрического поля между коронирующим электродом (катодом) и
осадительным электродом (анодом). При этом необходимо чётко
представлять, в чём отличие коронного разряда от искрового.
Вопросы для самопроверки:
1. Какие параметры электрической энергии являются определяющими при
электроионной технологии?
2. Какие основные процессы составляют ЭИТ?
3. В чём сущность электрогазоочистки?
4. В чём сущность электросепарации?
5. В чём различие процессов электроосмоса и электрофореза ?
6. Назовите основные три принципа зарядки частиц.
7. Назовите особенности конструкции электродов используемых для
ионизации газов с помощью коронного разряда.
8. Назовите основное отличие значений электрических параметров
коронного и искрового разрядов.
9. Укажите на характерную особенность напряжённости электрического
поля между электродами коронного разряда.
10.Назовите технологические процессы, в которых электризация частиц
осуществляется с помощью коронируещего разряда.
Тема 14. Электродуговые и рудно-термические печи.
Классификация дуговых печей. Дуговые печи прямого и косвенного
действия. Рабочие режимы и характеристики электродуговых печей.
Магнитное перемешивание металла в дуговых сталеплавильных печах.
Дуговые сталеплавильные печи. Рудно-термические печи. Вакуумные
дуговые печи. Основные элементы печей. Особенности дугового разряда в
вакуумно-дуговой печи [1],[8],[5].
Методические указания.
Для понимания принципа работы электродуговых и рудно-термических
печей необходимо в полной мере владеть знаниями, полученными при
изучении других дисциплин сварочной специальности и в первую очередь
"Теория сварочных процессов". Для этого достаточно знать: принципы
электродуговой сварки плавящимся и неплавящимся электродом, в том числе
под слоем флюса; сущность процессов протекающих в электрической дуге
свободно горящей и сжатой, при низком, и повышенном давлении газовой
среды; строение дугового разряда; особенность трёхфазной дуги;
вольтамперную характеристику электрической дуги; источники питания для
дуговой сварки.
Восстановив в памяти вышесказанную информацию несложно будет
понять работу электродуговых печей с расходуемым и неплавящимся
электродом, как при атмосферном так и при пониженном давлении и т.д.
Другими словами: электрические, физические явления, металлургические
процессы и др. в указанных печах аналогичны этим же явлениям при дуговой
сварке. Разница заключается лишь в габаритах и мощности дугового разряда.
[1].
Вопросы для самопроверки:
1. Перечислите типы электродуговых печей.
2. Для каких целей используют дуговые печи косвенного действия?
3. Укажите основное назначение дуговых печей прямого действия.
4. Укажите перечень операций по выплавке стали в дуговых печах.
5. Требования к конструкции дуговых печей и её элементам.
6. Какие типы электродов используются в дуговых печах?
7. Сущность процесса перемешивания расплавленного в дуговых печах.
8. Укажите общие признаки рудно-термических печей.
9. Укажите основные типы рудно-термических печей.
10.Основные принципы классификации дуговых вакуумных печей.