Определение оптимальных электрических параметров установки электроэрозионного диспергирования для диспергирования медных отходов

128

ISSN 2223-1560. Известия Юго-Западного государственного университета. 2015. № 4 (61).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение оптимальных электрических параметров установки электроэрозионного диспергирования для диспергирования медных отходов

В последние десятилетия в результате исследований электроэрозии в межэлектродном промежутке, заполненном свободно соприкасающимися гранулами металла и диэлектрической рабочей жидкостью появилась возможность создания производительной технологии получения дисперсных порошков металлов и их соединений. Высокая производительность порошкообразования и дисперсность про-дукта, экологическая чистота основного технологического процесса и возможность получения мелкодисперсных порошков практически всех токопроводящих материалов (включая сверхтвердые, жаропрочные и пластичные) и их соединений с элементами рабочей жидкости (карбидов, оксидов, гидрооксидов) определяют перспективу и актуальность данного направления исследования [1-5].

Однако на сегодняшний день в литературе отсутствуют сведения о получении методом электроэрозионного диспергирования многих порошков, в т.ч. медных, поэтому исследование данного процесса является актуальным и необходимым.

Проведение традиционных экспериментов электроэрозионного диспергирования, основанных на поочередном варьировании отдельных независимых переменных (например емкость разрядных конденсаторов, напряжение, частота следования импульсов и пр.), когда остальные остаются неизменными (например среда, материал и пр.), требуют больших затрат, сил и средств. Эксперименты являются многофакторными и связаны с оптимизацией качества материалов, отысканием оптимальных условий проведения технологического процесса электроэрозионного диспергирования, разработкой наиболее рациональной конструкции оборудования и т.д. В итоге, системы являются такими сложными, что не поддаются теоретическому изучению в разумные сроки. Поэтому, возникает необходимость поиска пути, позволяющего вести исследовательскую работу ускоренными темпами и обеспечивающего принятие решений, близких к оптимальным. Этим путем явился статистический метод постановки факторного эксперимента [6].

Целью настоящей работы являлось определение оптимальных электрических параметров установки электроэрозионного диспергирования постановкой полного факторного эксперимента и изучение формы и морфологии медных электроэрозионных порошков, полученных при оптимальных параметрах процесса.

Определение оптимальных электрических параметров установки электроэрозионного диспергирования постановкой полного факторного эксперимента проводили по производительности процесса получения медного порошка [6].

Для постановки факторного эксперимента были выбраны уровни и интервалы варьирования факторов (табл. 1).

Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 2.

Для определения дисперсии параметра оптимизации было проведено три опыта при нахождении факторов на основных уровнях (вода). Полученные значения параметра оптимизации y_u, его среднее значение э, отклонения значений параметра оптимизации от его среднего значения (y_u-э) и квадраты их отклонений приведены в таблице 3.

Дисперсия параметра оптимизации:

Находим коэффициенты модели:

b₀ = У y_i / N. (2)

b_i= У x_ijy_i/ N. (3)

b₀ = 17,3; b₁ = 11,8; b₂ =26,7; b₃ =66,6.

Средняя квадратичная ошибка в определении коэффициентов регрессии:

S{b_i} = (Sy / N)^1/2 . (4)

S{b_i} = (Sy / 3)^1/2 = 1,2.

порошок медь электроэрозионный диспергирование

Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования

Таблица 2. Матрица планирования эксперимента

Таблица 3. Вспомогательная таблица для расчета

Доверительный интервал коэффициентов регрессии при числе степеней свободы f=2:

?b = ± t· S{b_i}. (5)

?b = ±4,3·1,2= ±5,5.

Все коэффициенты регрессии по абсолютной величине больше доверительного интервала, поэтому их можно признать статически значимыми.

Таким образом, получили модель в виде полинома первой степени:

Y =17,3 + 11,8·Х₁ + 26,7·Х₂ + 66,6·Х₃.

Согласно полученной модели параметр оптимизации возрастает с увеличением значений факторов Х₁, Х₂ и Х₃. Причем наибольшее влияние оказывает параметр Х₃, т.е. напряжение на электродах.

Проверку адекватности модели производили по F-критерию Фишера. Для вычисления дисперсии адекватности составили вспомогательную таблицу 4.

S_ад² = (y_j- y_j)² / (N - (k +1)). (6)

S_ад² = 1,44/ (8 - (3+1)) = 0,36.

F_р = S_ад² / S_у² = 0,36/ 17,27 = 0,2.

Табличное значение F_т-критерия при 5 % уровне значимости и числах степеней свободы для числителя 4 и для знаменателя 2 равно 19,3. Fр<Fт. Следовательно, модель адекватна.

Полученное уравнение было использовано для крутого восхождения по поверхности отклика. Крутое восхождение начинали из нулевой точки (основные уровни): Х₁=35,5 мкФ, Х₂=80 Гц, Х₃=200 В (табл. 5). Шаг движения для фактора Х₁ приняли равным 3 мкФ. Вычислили шаг движения для Х₂ = 10,5, фактор Х₃ = 10,2.

По окончании эксперимента на новых уровнях было получено максимальное значение параметра оптимизации Y, которое составило 30,76 г/час. Таким образом, оптимальными параметрами для процесса получения порошков меди методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной являются: емкость разрядных конденсаторов 45,5 мФ, напряжение на электродах 220 В, частота следования импульсов 100 Гц.

Таблица 4 Вспомогательная таблица для расчета S_ад²

Таблица 5 Расчет крутого восхождения

Получение медных порошков производили методом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) на установке для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов (патент РФ № 2449859), включающей регулятор напряжения, генератор импульсов и реактор [7, 8]. Процесс проводили при следующих электрических параметрах: емкость разрядных конденсаторов 45,5 мкФ, напряжение 220 В, частота следования импульсов 100 Гц. В качестве реактора установки электроэрозионного диспергирования использовался стеклянный эксикатор, в качестве разделителя - пластмассовая решетка. Для исключения возможности соприкосновения электродов со стенками реактора диспергированный материал изолировали от стенок реактора пластмассовой перегородкой. В качестве исходного (диспергируемого) материала использовали отходы электротехнической медной проволоки марки М1.

Для дальнейших физико-химических исследований был использован медный порошок, полученный методом электроэрозионного диспергирования в изолированном реакторе в воде дистиллированной при оптимальных электрических параметрах установки.

Методом растровой электронной микроскопии проведено исследование микроструктуры порошка. Были выполнены снимки на растровом электронном микроскопе «QUANTA 200 3D». Результаты микроскопии электроэрозионного медного порошка, полученного при оптимальных электрических параметрах установки в изолированном реакторе, приведены на рисунке.

Таким образом, в порошке, полученном методом электроэрозионного диспергирования, преобладают частицы правильной сферической или эллиптической формы, полученные кристаллизацией расплавленного материала (жидкая фаза).

Рис. Микроскопия образца медного порошка, полученного электроэрозионным диспергированием в изолированном реакторе

Экспериментально установлено, что оптимальными параметрами для процесса получения порошков меди методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной являются: емкость разрядных конденсаторов 45,5 мФ, напряжение на электродах 220 В, частота следования импульсов 100 Гц.

Список литературы

1. Агеев Е.В., Агеева Е.В., Хорьякова Н.М. Состав и свойства медных порошков, полученных электроэрозионным диспергированием: монография / Юго-Зап. гос. ун-т. - Курск, 2014. - 143 с.

2. Агеева Е.В., Хорьякова Н.М., Агеев Е.В. Морфология и элементный состав медных электроэро-зионных порошков, пригодных к спеканию // Вестник машиностроения. - 2014. - № 10. - С. 66-68.

3. Хорьякова Н.М., Малюхов В.С. Морфология и элементный состав медного порошка, полученного методом электроэрозионного диспергирования // Современный материалы, техника и технология: материалы 3-й Междунар. науч.-практич. конф.: в 3 т. - Курск, 2013. ? Т. 1.- С. 388-390.

4. Ageevа E.V., Ageev E.V., Horyakova N.M. Morphology and Composition of Copper Electrospark Powder Suitable for Sintering // Russian Engineering Research. - 2015. - Vol. 35, No. 1. - P. 33-35.

5. Ageev E.V., Avilova I.A., Horyakova N.M. Preparation of copper electroerosionnanopowders from waste of aquatic medium and its validation by physicochemical methods // Applied Mechanics and Materials. - 2015. ? Vol. 770. - P. 23-27.

6. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. - М.: Машиностроение, 1981. ? 184 с.

7. Пат. 2449859 Российская Федерация, C2, B22F9/14. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов / Агеев Е.В.; заявитель и патентообладатель Юго-Западный государственный университет. - № 2010104316/02; заяв. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012. - 4 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru