Способ электрохимической обработки и устройство для его реализации

 

Изобретение может быть использовано для разделения металлических конструкций в соленых водоемах без участия человека и с обеспечением его безопасности. Электрод соединяют с концом жгутов термопар. Холодный спай погружают на глубину со стабильно низкой температурой. Горячий спай размещают под поверхностью воды или вблизи ее границы. Электродам через изоляторы придают локальное перемещение вдоль зоны растворения конструкции. Жгуты термопар соединены с электродом двумя полукольцами. На их наружной поверхности под углом 45° закреплены лопатки. Изобретение способствует расширению технологических возможностей электрохимической обработки, снижению затрат на удаление подводных металлических конструкций. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для удаления подводных металлических конструкций на морях и водоемах с соленой водой.

Известен способ электрохимической обработки, применяемый для разделения металлических конструкций. При этом обработка ведется в воздушной среде или среде "жидкого стекла" с помощью специальных электродов-инструментов [1].

К недостаткам такого способа следует отнести то, что при такой обработке невозможно разделять конструкции, которые смонтированы в водоемах, в том числе с соленой водой. Кроме того, существуют методы удаления таких конструкций, однако они не обеспечивают безопасности персонала при проведении работ.

Наиболее близким по совокупности признаков является способ для обработки деталей, в том числе их разделения. При этом обрабатываемые и разделяемые детали имеют произвольные сечение и переменный периметр обрабатываемой поверхности [2].

К недостаткам способа следует отнести следующее. Способ не позволяет обрабатывать наружный профиль поверхности детали и поверхности с переменными припусками, расположенными в водной, в том числе соленой среде; способ может быть реализован только при наличии источника питания большой мощности, что делает невозможным проведение работ по разделению конструкций без источника электрического тока (линий электропередач, различного типа генераторов и т. п. ), а также без непосредственного контроля оператора за ходом обработки. Кроме того, невозможно применить способ для удаления конструкций, отработавших свой ресурс, в соленых водоемах.

Известно устройство для реализации данного способа обработки, которое представляет собой специальную стационарную установку и инструмент в виде диска, изготовленного из токопроводящего материала. В качестве рабочей среды при разделении конструкций в таком устройстве используется либо "жидкое стекло", либо воздушная среда [3]. К недостаткам такого устройства следует отнести то, что стационарная установка не может работать без источника технологического тока, привода для вращения диска, механизма подачи в виде электрического привода или ручного механизма, перемещаемого оператором, а также использовать соленую воду водоемов, так как при этом исключается возможность других рабочих сред в силу их перетекания в источник. Установка не может работать автономно без участия оператора, на которого оказывают вредное влияние газообразные и растворенные продукты обработки.

Наиболее близким аналогом каждого из заявленных изобретений можно считать способ электрохимической обработки путем анодного растворения металла в растворе электролита и устройство для его осуществления, раскрытые в SU 623691, МПК 7 B 23 K 3/10, 27.07.1978.

Изобретение направлено на разделение металлических конструкций в соленых водных средах без участия человека и с обеспечением его безопасности.

Это достигается тем, что в качестве электролита используют соленую воду водоемов, электроды, участвующие в разделении конструкции, соединяют концами жгутов термопар, один конец которых (холодный спай) помещают на глубину водоема со стабильно низкой температурой, а другой (горячий спай) - на поверхность воды или в подповерхностный слой, затем электродам через изоляторы придают локальное перемещение вдоль зоны растворения конструкции для ее разделения.

Для реализации способа предлагается устройство, в котором электрод упругим материалом соединен с полукольцами, на наружной поверхности которых под углом не более 45^o расположены лопатки, электрод соединен со жгутами холодного и горячего спаев термопар.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид устройства, размещенного на конструкции B, подлежащей разделению, на фиг. 2 представлена конструкция устройства для реализации данного способа, на фиг. 3 - конструкция многозвенного электрода.

Способ осуществляется за счет использования термопар, в которых возникает электрический ток из-за разницы температур спаев. ЭДС такого тока при перепаде температуры в 20 K в термопаре типа "железо-константан" достигает 1050 микровольт. Размещая жгут термопар одним концом на глубину со стабильно низкой температурой, а другим - на поверхность воды или в подповерхностный слой, путем последовательных или параллельных соединений их в устройстве можно получить требуемые электрические параметры на электродах: напряжение от 5 до 20 В и значительную силу тока [4], достаточные для проведения электрохимической обработки. При этом отпадает необходимость в стационарном источнике питания.

Принцип работы заключается в следующем. Место разделения конструкции B зачищают до металлического блеска, на него устанавливают механическую часть устройства, состоящую из полуколец 1 и 2, на которых под углом α (0 < α ≅ 45^o) закреплены лопатки 10 и коллектор 11, к которому прикрепляются концы жгута холодного Б и горячего А спаев термопар. Количество термопар в жгуте определяется по известной ЭДС каждой термопары и из условия получения рабочего напряжения для электрохимической обработки от 6 до 36 В и плотности тока на рабочей поверхности не менее 3 А/см². Сближение отрицательного электрода с местом разделения осуществляется за счет перемещения его в образовавшееся в процессе разделения углубление. Под воздействием электрического тока в соленой воде происходит анодное растворение материала конструкции до полного разрушения. При этом используется явление, при котором морская вода и соленые водоемы имеют химический состав, аналогичный рабочим средам для электрохимической размерной обработки с концентрацией, достаточной для протекания процесса анодного растворения [5]. Кроме того, за счет размещения термопар в водных слоях с различной температурой получаем автономный природный источник электрического тока с мощностью, достаточной для проведения электрохимической обработки.

Устройство для реализации данного способа (фиг. 2) включает в себя два полукольца 1 и 2, которые связаны между собой шарниром 3. Полукольца соединяют зажимом 4. Внутри кольца установлена рабочая часть электрода в форме многозвенной цепи 5, имеющей разъем в место соединения полуколец 6. К звеньям электрода подведен ток от коллектора через гибкий проводник 7. От этого звена ток поступает через гибкие перемычки 8 на все звенья. Пространство между полукольцами и звеньями электрода заполняют упругим материалом 9, например вспененным поролоном, сохраняя разъем между кольцами.

Звенья многозвенной цепи 5 (фиг. 3) соединены между собой пазами 12, которые позволяют изменять длину образующей зоны разрезания. Боковые поверхности звеньев покрыты слоем изоляции 13, например окислами. Кроме того, на поверхности звеньев 5 установлены изоляторы 14, ширина которых не более толщины звена.

Процесс разделения конструкции осуществляется в следующей последовательности. Изучают сечение конструкции на металлических участках и на макете подбирают устройство с формой поверхности электродов, близкой к наружному сечению конструкции, по мере возможности уточняют временные перепады уровня водоема и глубину установки устройства. Зачищают место установки до металлического блеска, закрепляют устройство на расчетной глубине и на грузе опускают холодный спай термопар до глубины со стабильной температурой и (при возможности) закрепляют жгут и груз на конструкции. Жгут с горячими спаями помещают на надводной части конструкции или (в случае необходимости) вблизи поверхности водоема и закрепляют на конструкции, например, хомутом. Через коллектор 11 ток от жгута спая термопары, имеющего положительный полюс, подводится к конструкции, которая становится положительным электродом. От жгута, имеющего отрицательный полюс, - к гибкому проводнику 7, соединенному с одним из звеньев электрода многозвенной цепи 5, которая становится инструментом. От этого звена ток через гибкие перемычки 8 поступает на все звенья, поддерживая металлический контакт всей цепи при изменении длины периметра за счет пазов 12. Устройство помещено в водоем с соленой водой, поступающей в межэлектродный зазор. Возникает электрохимическая ячейка, включающая электроды под током и электролит в виде соленой воды водоема. Начинается анодное растворение металла конструкции. Для интенсификации процесса требуется вынос из межэлектродного зазора продуктов обработки, который будет происходить за счет гравитационных сил и естественного перемещения воды в водоеме. По мере анодного растворения звенья анодной цепи 5 будут углубляться в конструкцию, при этом пазы 12 позволяют изменять длину образующей по мере сокращения длины цепи 5, а подвод тока к цепи обеспечивается гибкими перемычками 8, соединяющими звенья. Упругий материал 9 обеспечивает постоянный контакт изоляторов 14 с местом разъема конструкции, где образуется углубление. Для съема материала конструкции под изоляторами 14 необходимо перемещать устройство вдоль углубления по периметру внутренней поверхности цепи 5 на величину, не менее длины контактной длины изолятора 14 с углублениями. Это осуществляется за счет лопаток 10, жестко закрепленных на полукольцах 1 и 2 под углом α к оси устройства. За счет колебаний уровня воды (под действием приливов, волн, транспортных средств, ветра и т.п.) вода действует на лопатки 10. При этом для эффективной передачи усилия лопаток 10 на кольца 1 и 2 в направлении поворота вокруг оси лопатки 10 должны иметь угол не более 45^o к оси устройства. Поворот устройства относительно неподвижной конструкции должен обеспечивать перемещение цепи 5 вдоль периметра углубления на величину не менее длины контактной поверхности изолятора 14. Для обеспечения этого условия длину изолятора 14 выбирают минимальной в пределах 0,2 - 0,5 мм, что позволяет гарантировать съем металла под изолятором 14. Без такого поворота устройства относительно конструкции процесс протекает замедленно за счет съема металла конструкции под изоляторами 14 с боковых сторон. Такой поворот способствует ускорению удаления продуктов обработки из межэлектродного зазора и ускоряет процесс разделения металлических конструкций. Ширина изолятора 14 не может быть шире звена цепи 5, так как по мере перемещения цепи 5 в углубление изолятор 14 должен свободно размещаться по ширине углубления. По мере перемещения электрода в форме многозвенной цепи 5 в углубление периметр цепи 5 изменяется за счет пазов 12 между звеньями.

Устройство работает автономно, без участия человека, так как термопары вырабатывают ток в течение всего времени разделения за счет перепада температур на поверхности и на глубине водоема, состав рабочей среды, в виде воды соленого водоема, сохраняется достаточно стабильным, межэлектродный зазор поддерживается конструкцией устройства. Для устранения коротких замыканий между электродами при перемещениях цепи 5 боковые поверхности звеньев изолированы, например, покрытием или окислами. Токсичные продукты обработки выделяются с места в малых количествах и не могут превысить естественного фона, вредного для окружающей среды, а человек в период разделения может не присутствовать.

Источники информации 1. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. В 2-х т. Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента/ Под ред. В.П. Смоленцева. - М.: Высшая школа, 1983. - С. 29-131.

2. Томашевский Н.Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия, 1956. - С. 142.

3. Смоленцев В. П., Сухоруков Н.В. Физические основы и технологическое применение электроконтактного процесса. - Воронеж: ВГТУ, 1998, 168 с.

4. Смоленцев В.П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей. - М.: Машиностроение, 1978. - С. 88-89.

5. Дж. Кей, Т. Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. - М.: Госиздат, 1962. - С. 52-53.

Формула изобретения

1. Способ электрохимической обработки, включающий анодное растворение элементов конструкции в растворе электролита, отличающийся тем, что в качестве электролита используют соленую воду водоемов, при этом электрод соединяют с концами жгутов термопар, холодный спай которых погружают на глубину со стабильно низкой температурой, а горячий спай размещают под поверхностью воды или вблизи ее границы, а затем электродам через изоляторы придают локальное перемещение вдоль зоны растворения конструкции для ее разделения.

2. Устройство для электрохимической обработки, содержащее электрод, отличающееся тем, что оно снабжено жгутами термопар, соединенными с электродом, двумя полукольцами, на наружной поверхности которых под углом не более 45^o закреплены лопатки, при этом электрод соединен с полукольцами через упругий материал.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3