1. Литературный обзор
1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Хром — элемент 6-й группы периодической системыэлементов Д И- Менделеева. Его атомный номер 24, атомная масса 51,99. До хромани один элемент периодической системы не выделяется электролизом из водныхрастворов.
Физические свойства хрома следующие: температураплавления 1890—1900 °С; температура кипения 2500 °С; плотность (при 20 °С) 6,9—7,2 г/см3; температурный коэффициент линейного _ расширения (при 20°С) 6,6* 10"6 К 1; удельная теплоемкость 0,46-103Дж/(кг-К).
Соединения шестивалентного хрома являютсясильными окислителями. Хромовый ангидрид при растворении в воде образует смесьполихромовых кислот. В разбавленном растворе образуется Н2[Сг04],при средней концентрации — Н2 [СгО3(СгО4) ].При дальнейшем увеличении концентрации образуются Н2 [СгО3(СгО4)]2и Н2[Сг03(Сг04)3]. Все хромовые кислотыотносятся к сильным, по мере усложнения их состава степень их диссоциации вразбавленных растворах возрастает. При 25 °С константы диссоциации хромовойкислоты но первой и второй ступеням составляют соответственно 1,8-10-1и 3,20- 10-7. Оксид Сг2О3 обладает амфотернымисвойствами. Соединения Сг2+, обладающие основными свойствами,неустойчивы.
1.2 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРООСАЖДЕННОГО ХРОМА
Структура. Электролитический хром отличаетсямелкокристаллической структурой. Наименьшими размерами обладают кристаллыблестящего хрома 0,001—0,01 мкм. Кристаллы матового и молочного хрома имеютразмеры кристаллов 0,1—10 мкм. Осадки хрома характеризуются слоистостью иобразованием на поверхности характерных наростов — микросфероидов (рис. 10),которые наблюдаются при осаждении достаточно толстых покрытий (более 30—50мкм).
Известны две основные структурные модификацииэлектроосажденного хрома:
а-хром — объемно-центрированный куб с параметромэлементарной ячейки а = 2,878 А (0,2878 нм) и плотностью 7,1 г/см3;
β-хром — гексагональная решетка спараметрами а = 2,717 А (0,2717 нм) и с= 4,419 А (0,4419 нм), плотностью 6,08г/см5*. Помимо этих двух модификаций обнаружена также модификация γ-Сr с элементарной ячейкойтипа а-Мп, содержащей 58 атомов в элементарной ячейке [а = 8,717 (0,8717 нм], атакже хром, имеющий кубическую гранецентрированную решетку.
Структура а-Сr является стабильной,характерной для осадков блестящего типа, т. е. осадков, полученных при высокойтемпературе.
Структура Р~Сr является метастабильной,характерной для осадков, полученных при низкой температуре, т. е. для матовыхосадков. Гексагональный хром представляет собой фазу внедрения водорода в хромили гидрид хрома состава от СrН до СrН2. Гексагональный хром самопроизвольно переходитв стабильную кубическую структуру (а-Сr), что вызывает сокращение объема осадка примернона 15—16%, возникновение внутренних напряжений растяжения и растрескиваниеосадка.
Содержание газов. Электролитически осажденный хром содержит(масс, доля, %) в среднем 0,04—0,05 Н2 и до 0,2—0,5 О2, атакже незначительное количество N2. Примерное содержание Н2 (масс, доля,%) в осадках, полученных при различных температурах: 32-0,07; 52 — 0,06, 65-0,03. Водород может быть в различной форме: в составе гидрида, в адсорбированномсостоянии, в растворенном состоянии. Кислород попадает в осадокпри захвате частиц катодной пленки, содержащих Сr2О3 или дру-гиекислородсодержащие соединения, осака. Полагается, что при включение в осадок N2является основной причиной хруппкости хромовых покрытий.
Включение газов в осадок в значительной мерезависит от температуры электролиза. При повышении температуры в интервале 40—70°С содержание газов снижается примерно в 2 раза. Увеличение плотности тока приводитк некоторому увеличению содержания газов в хроме.
Термическая обработка после хромирования приводитк удалению водорода из хромового покрытия, причем основная масса водородавыделяется при температуре, близкой к 200 °С.
Внутренние напряжения. В процессеэлектроосаждения в хромовых покрытиях возникают σвн растяжения. Причинавозникновения этих напряжений — структурные превращения, вызывающие сокращениеобъема осадка при самопроизвольном переходе нестабильной гексагональнойструктуры в объемно-центрированную кубическую.
В наибольшей степени на величину σвяоказывает влияние температура электролиза: в интервале получения блестящих имолочных осадков внутренние напряжения σвн снижаются. Прикаждой температуре электролиза минимум 0ВН в осадках обеспечиваетсяпри определенной плотности тока, А/дм2: при 50 °С — 30, при 55 °С —40. Внутренние напряжения незначительно снижаются при увеличении концентрацииСО3.
При Т, близкой к 90 °С, возможно получениехромовых покрытий, не имеющих сЕН.
Микротвердость. Твердость покрытий определяетсярежимом электролиза. При увеличении температуры электролиза твердостьснижается, при увеличении плотности тока максимум микротвердости наблюдаетсяпри плотности, близкой к 60 А/дм2. При Т= 35-:-45 °С твердость покрытий,осажденных из разбавленного (150 г/л) и из стандартного электролитов (250 г/л),практически не отличается. При температуре 65—75 СС твердостьосадков из разбавленного электролита выше на 10—20%. Термическая обработкапосле хромирования приводит к снижению твердости и к увеличению размера зеренпокрытия.
Износостойкость. Наиболее износостойкие покрытия,как правило, наносят при режимах электролиза, обеспечивающих получение покрытийна границе областей осаждения блестящих и молочных покрытий. Однако во многихслучаях установлено, что с увеличением твердости износостойкость осадковрастет. Термическая обработка, осуществляемая после хромирования, влияет наизносостойкость покрытий. Наиболее высокой износостойкостью обладают покрытия,термообработанные в интервале 150-200 °С. Термическая обработка при болеевысокой вызывает существенное снижение износостойкости. Осадки полученные при Т= 70 С более, практически не изменяют износостойкость, в результате термическойобработки.
Пористость. Для хромовых покрытий характернапористость, возникающая в результате растрескивания покрытий под действием ат.Появление пористости в виде сетки трещин начинается по достижении определеннойтолщины покрытия.
Пористая структура осадков хрома, полученных приразличной температуре хромирования, определяет скорость его разрушения СР в 1н. НС1 при Т=40°С:
На пористость хрома основное влияние оказываюттемпература электролиза и соотношение между СгО3 и Н25О4.В качестве количественного критерия пористости выбрано число площадок, образующихсяв результате появления на покрытии сетки трещин, приходящееся на мм2 поверхности.
1.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА
Размерное хромирование. При нанесении толстыхизносостойких покрытий как на новые детали, так и на ранее эксплуатировавшиеся(восстановление) требуется применять специальные подвесные приспособления ианоды. Это необходимо для равномерного осаждения покрытия, ибо электролиты дляхромирования обладают низкой РС. Процесс получения равномерных по толщинехромовых покрытий, частично или полностью исключающий оконча тельнуюмеханическую обработку де талей, получил название размерного хромирования.
Во многих случаях, например, при хромированииштампов, для размерного хромирования применяют профилированные аноды,воспроизводящие рельеф покрываемой поверхности. При завеске детален в ваннуследует учитывать, что при электролизе выделяется обильное количество газов,которые не должны скапливаться внутри детали или внутри подвески.
При хромировании внешней поверхности цилиндрическихдеталей в случаях, когда не применяются специальные подвесные приспособления скольцевыми индивидуальными анодами, рекомендуется использовать круглые анодыдиаметром 40—80 мм. Аноды располагают таким образом,. чтобы вокруг каждойдетали было не менее четырех анодов. Оптимальным межэлектродным расстояниемсчитается 100-150 мм. При сокращении этого расстояния до 50 мм. Наблюдается при увеличениимежэлектродного расстояния свыше 200—250 мм.
При вертикальном завешивании деталей в ванну нижние краядеталей должны отстоять от дна более чем на 200 мм. Расстояние от поверхности электролита 100—150 мм.
С целью улучшения равномерности осаждения хрома возможновести хромирование деталей в горизонтальном положении. При этом необязательнонепрерывное вращение деталей. Периодическое вращение осуществляют с помощьюспециального приспособления (рис. 1).
/>
Рис 1. Подвески для хромирования деталей в горизонтальномположении: а — завешиваемая на две штанги ванны: 1 — траверса; 2 — штангаподвески; 3 — спица ворота для периодического поворота детали; 4 — уплотнительные диски; 5 — экран; 6 — втулки подвески; б — завешиваемая на однуштангу; 1 — рукоятка для поворота; 2 — крючок; 3 — траверса; 4 — винипластовыезубчатые колеса; 5 — штанга; 5 — муфты для крепления деталей
Поворот деталей на угол 90° осуществляют перемещением рукояток-спиц,которые находятся выше уровня электролита. Поворот осуществляют до тогомомента, когда очередная спица выйдет из электролита. Периодичность вращениязависит от толщины наращиваемого слоя следующим образом:
/>
Периодическое вращение деталей возможно проводить и при инойконструкции подвесного приспособления, когда одновременно осуществляется вращениенескольких деталей.
При горизонтальном положении деталей в электролитехромирование ведут с плоскими анодами, отстоящими от поверхности деталей на100—150 мм.
1.4 ЭЛЕКТРОЛИТЫ ХРОМИРОВАНИЯ
СТАНДАРТНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ХРОМИРОВАНИЯ
Основной электролит для осаждения хрома содержитдва компонента: СгО4 и H2SO4. Соотношение по массе между этими компонентами должнобыть 100: 1. При этом соотношении достигается наиболее высокий выход по току.
Обычное содержание СгО3 150— 300 г/л,хотя.известны электролиты содержащие 60—80 г/л этого основного компонента.Электролит, содержащий 220—250 г/л, называют стандартным:Тип электролита Концентрация компонентов, г/л Режимы работы
СгО3
H2SO4 і, А/дм t С Стандартный 220 2.25 – 2.5 15 — 60 45 — 55
Разбавленный электролит рекомендуется дляполучения износостойких покрытий, концентрированный — для защитно-декоративных.Наиболее распространен — стандартный, или универсальный, электролит.
Фторидиые электролиты. F и F-содержащиеионы используются в электролитах холодного хромирования, в том числе ляосаждения покрытий в колокольных и барабанных установках. Однако рядэлектролитов этого типа широко используется для износостойкого хромирования.
По сравнению с электролитами, содержащими добавку SO4, фторидные электролиты имеютследующие преимущества:
возможность ведения процесса при комнатной температуре;
лучшую рассеивающую и кроющую способность;
меньшую критическую плотность тока, т. е. возможность вестиосаждение хрома при очень низкой tк (0,5—2 А/дм2); болеевысокий выход по току.
Недостатки фторидных электролитов следующие: более высокаяагрессивность и формирование на анодах пленки фторида свинца, обладающей высокимэлектрическим сопротивлением.
В связи с указанной особенностью работы анодов при осаждениихрома из фторидных электролитов применяются только аноды, содержащие Sb или лучше Sn.
Осадки хрома, получаемые из фторидных электролитов, имеютболее низкую твердость и более пластичны, чем осадки, полученные из стандартногоэлектролита. Более низки σвп вхромовых покрытиях.
Фторидные электролиты могут работать и при более высокойтемпературе. Возможно хромирование из электролитов, содержащих 4—6 г/л одногоиз следующих соединений: К2ТiF6, К2ZrF6 и Na3А1F6, способных быть катализаторамиэлектроосаждения хрома.
Саморегулирующиеся электролиты. Принцип действия электролитов— автоматическое поддержание постоянного соотношения между концентрациями СrO3 и постороннего аниона, которое обеспечивается тем,что указанные анионы вводят в электролит в составе ограниченно растворимыхсолей. Эти соли вводят в электролит в количествах, превышающих ихрастворимость. По этому имеющийся осадок на дне (избыток соли) всегда находитсяв равновесии с ионами, перешедшими в раствор.
В качестве солей-катализаторов, обеспечивающих присутствие врастворе посторонних анионов, используют SrSО4, К2SiF6 и СаF6. Растворимость этих солей линейновозрастает в температурном интервале 30—80 СС. С увеличениемконцентрации СгО3 максимум растворимости солей отвечает концентрации250—300 г/л.
Преимущества саморегулирующихся электролитов следующие:стабильность состава, так как концентрация постороннего аниона поддерживаетсяавтоматически; более высокая СП по сравнению со стандартным электролитом;практическая независимость ВТ от і'к(выше 40 А/дм2) и t (выше50 СС); широкий интервал изменения t и tк, обеспечивающий получение блестящихосадков; более высокая РС по сравнению со стандартным электролитом.
Недостаток саморегулирующихся электролитов — их более высокаяагрессивность. Аноды из РЬ—Snсплава должны содержать 5—10 % 5п.
Перед пуском саморегулирующегося электролита в эксплуатациюследует его прогревать при рабочей / в течение 2—3 ч с одновременным перемешиваниемраствора. Это необходимо для насыщения электролита посторонними анионами.
Наиболее широко применяется в практике электролит № 1(сульфатно-кремнефторидный). Максимальная твердость покрытий, осаждаемых при 60°С, получается при ік = 55 А/дм2, осаждаемыхпри 50 °С— при ік = 45 А/дм2.
Электролит рекомендуется для получения твердых износостойкихпокрытий при размерном хромировании.
Электролит имеет следующие характерные неполадки:
при снижении t ниже 50 °С наблюдаетсяпоявление шероховатости покрытия;
при уменьшении концентрации СгО3 ниже 200 г/л илипри увеличении выше 350 г/л осадки становятся матовыми;
-при недостатке в электролите К2SiF6 осадки получаются матовыми;
-при недостатке в электролите SrSО4 на поверхности покрытий появляютсямелкие черные точки.
«Электролит № 3 (фториднокремне-фторидный) рекомендуетсяприменять для скоростного хромирования… Осадки хрома получаются слабо-голубогоцвета. Электролит обеспечивает получение прочного сцепления покрытия свысоколегироваными и коррозионно-стойкими стялями и специальными сплавами.Состав саморегулирующегося электролита длязащитно-декоративных покрытий следующий (г/л):
/>
Режим осаждения: ік = 2 -80 А/дм2;t=20-60°С; ВТ = = 20 -23%.
Рекомендуются также электролиты с добавкамиДХТИ-10, ДХТИ-11 или ДХТИ-хром-11 в количестве 7—10 г/л.
Сверхсульфатный электролит.
Этот электролит имеет следующий состав (г/л):
СгОа ...........250—300
Н2SO4… 8-10
Сг3+ (в пересчете на Сг2О3)20—22 Режим осаждения: t> 50-55 СС; (ік 5=>50-60 А/дм»;ВТ =22-24% при оптимальных условиях электролиза.
Электролит рекомендуется для скоростногоосаждения толстых блестящих хромовых покрытий (до 1 мм). Для получения в электролите требуемого количества Сг3+ после растворения СгО3 вэлектролит вводят Н2О2. При этом для получения концентрацииСг2О3 20 г/л необходимо ввести 80—90 г/л Н2О2(30 %). Во избежание разбрызгивания и разогрева электролита Н2О2вводят небольшими порциями в разные участки поверхности электролита. Нарис. 20 приведена зависимость концентрации Сг2О3 отколичества введенной в электролит Н2О2.
Для получения необходимой концентрации Сг2О3в электролит могут быть введены и некоторые органические соединения, например,сахар или глюкозу в количестве 4—5 г/л.
При износостойком хромировании в сверхсульфатномэлектролите возможно применять высокие плотности тока (до 300 А/дм2).Рекомендуемые сочетания температуры и плотности приведены ниже:
t,C.… 50 55 60
і, A/дм …… 50-80 50-90 50-200
Сверхсульфатный электролит имеет низкую РС. Егорекомендуют применять только для нанесения покрытий на цилиндрические детали(штоки валы, цилиндры и т. д.) при использовании специальных подвесных приспособлений,обеспечивающих конценричное расположение поверхностей детали и анода.
Рекомендуемый состав анодов следующий, %:
Рb..............79-80
Sb… 4-6
Sn… 10—15,
Стабильность поддержания заданной концентрации Сг3+обеспечивается применением ік > 100 А/дм2 и соотношением S: Sа в пределах 10—20.Возможно ведение хромирования и при меньшем соотношении указанных поверхностей,но при этом необходима периодическая корректировка электролита Н2О2или специальной проработкой .
Содержание Сг2О3 не должностановиться близким или большим 30 г/л и уменьшаться менее чем до 8 г/л.
Тетрахроматный электролит. Электролит предназначенисключительно для получения защитно-декоративных покрытий. Он обладает высокойрассеивающей способностью. Выход хрома по току составляет >30 %. Основное преимуществоэлектролита — возможность ведения хромирования при комнатной температуре (18—25°С). Осадки получаются серыми, однако, будучи весьма пластичными(микротвердость 300—500), они полируются до зеркального блеска, характерногодля обычных хромовых покрытий. Наиболее легко полируются покрытия толщиной по 10 мкм.
Хромовые покрытия, полученные из тетрахроматногоэлектролита, практически безпористы. Они рекомендуются взамен трехслойных Сu—Ni—Сг защитно-декоративныхпокрытий. Толщина такого однослойного блестящего покрытия должна быть не менее20 мкм. Покрытия, полученные из тетрахроматного электролита, обладают высокимизащитными свойствами и сохраняют декоративность в морской атмосфере и втропических условиях. Высокая рассеивающая способность тетрахроматногоэлектролита способствует его успешному применению для покрытия пресс-форм, дляизготовления детален из пластических масс.
Хромовые покрытия из тетрахроматного электролитатолщиной 5—10 мкм могут быть применены для местной защиты поверхности стальныхдеталей при их газовой цементации или нитро-цементации.
Состав тетрахроматного электролита следующий (г/л):
СгО3......,........................................350—400
ЫаОН ...............................................40—60
Нг5О4 ...........................................2,5— 2,7
Сг8+(в пересчете наСг2О3)……………10—15
В некоторых случаях рекомендуется в электролитдобавлять 0,5—10 г/л вольфраматов или солей магния, которые улучшаютполеруемость покрытий.
Рекомендуемая плотность тока должна быть винтервале 10—80 А/дм2. Наиболее легко полируются на обычныхвойлочных кругах покрытия, полученные при 15—25 А/дм2.
Электролиты для черного хромирования. Хромовые покрытия черногоцвета обладают высокой защитной способностью и широко используются длянанесения защитно-декоративных и специальных слоев на различные деталимашиностроительных и приборостроительных отраслей промышленности, медицинскийинструмент, панели и т. д.
Черные хромовые покрытия практически не содержатв своем составе металлического хрома. Они представляют собой композицию, вкоторую входят оксиды и гидроксиды Сг2+ и Сг3+ а такжегидрид хрома.
Одним из наиболее эффективных электролитов длячерного хромирования является разработанный в СССР электролит Метахром,содержащий 450 г/л СгО3 и две специальные добавки: «А» вколичестве 3 г/л и «Б» — 30 г/л. При приготовлении электролита добавка«А» предварительно растворяется при 60_70 °С в небольшом количествеводы. Электролит содержит также препарат Хромин в количестве 5 г/л. Метахромобладает наиболее высокой технологичностью и стабильностью по сравнению сдругими известными электролитами. Оптимальная температура электролиза 20—30 °С,плотность тока 15 А/дм2. Возможен перегрев электролита до 50—60 СС.Плотность тока может варьироваться в интервале 5-100 А/дм-.
Покрытия, полученные из электролита Метахром,обладают низким коэффициентом отражения света: 2 % в видимой части спектра и
1.5 АНОДЫ
При хромировании применяют нерастворимые анодов, так какиспользования для этой цели хрома невозможно по трем причинам. Главная из них-легкость анодного растворения хрома: анодный выход по току превышает катодныйпримерно в 8 раз. Другие причины – хрупкость металлического хрома и высокаястоимость изготовления массивных электродов.
Наиболее подходящий материал для изготовления анодов –свинец, на поверхности которого облегчен процесс окисления Сг3+ в Сг6. Одновременно наповерхности анода идет разряд ионов ОН и выделение кислорода. В процессеэлектролиза на поверхности анодов образуется темно-коричневая пленка PbO2, которая обеспечиваетболее однородное состояние поверхности анодов и улучшает их работу.
Однако, помимо этого, на анодах, особенно придлительном их перебывании в электролите без тока, образуется желтый слой PbСrO4, оказывающийзначительное сопротивление протеканию тока. Периодическое удаление этого слоя осуществляюткрацеванием с предварительной обработкой анодов в растворе, содержащем 100г/л NaOH и 100г/л K2CO3. Щелочную обработку,разрыхляющую слой PbСrO4, ведут при температуре 70-80 С˚ и і(анодн.)=10-30А/дм(кВ.). Вместощелочной обработки возможно химическое травление в 5%-ом растворе HCl.
При длительном перерыве электролиза аноды должныбыть извлечены из электролита и помещены в воду. Наиболее распространены аноды,изготовленный из сплава свинца с 6-8% Sb или 6-8% Sn. Такие аноды болеехимически стойки и прочны, чем аноды из чистого свинца. Рекомендуется так жеприменять аноды, содержащие одновременно Sb и Sn в кол-вах, указанныхвыше, а так же аноды, содержащие помимо Sb и Sn еще 2% Ag.
На рис. 1 представлены типы сборных анодов(а) иподвесок(б) для крепления анодов к штангам.
/>
Рис.2. Типы сборных анодов, подвесок для анодов ианододержалелей.
1.6 НЕПОЛАДКИ ПРИ ХРОМИРОВАНИИ
Помимо специфических неполадок, возможных при осаждении хромаиз саморегулирующихся и тетрахроматного электролитов при хромировании возможныдругие дефекты, общие для большинства электролитов хромирования (табл. 27).
Удаление некачественных покрытий.
Удаление некачественных покрытий осуществляют химическим илиэлектрохимическим способом.
Химический способ состоит в растворении покрытий в 5—20 %-номрастворе НС! при I = 20-70°С. Для удаления покрытия смеди, латуни, никеля этот метод наиболее часто применим. При удалении хрома состали необходимо вводить в НСlингибиторы, так как возможно растравливание и наводороживаниестали. Скорость растворения хрома в растворе НС1 в зависимости от ее концентрациии температуры колеблется в пределах 100—200 мкм/ч.
После удаления хрома со стальных деталейнеобходимо проводить обезводороживание в течение 2—2,5 ч при t= 200-250 °С.
Электрохимический способ более безопасен посравнению с химическим. Он особенно эффективен при снятии толстых хромовыхпокрытий со стальных деталей. Раствор для снятия покрытий содержит 100—150 г/лNаОН или КОН. Обработку ведут на аноде, используя в качестве катодов стальныепластины. Температура t = 20-35 C, анодная плотность тока іа = 5-20 А/дм2. Опасноприсутствие в растворе хлоридов, способных вызвать растравливание и потемнениестали.
При удалении хрома с никеля концентрация щелочи должна быть40— 50 г/л, аt= 18-20 °С.
Для удаления покрытий с цинковых отливок рекомендуетсяраствор следующего состава (г/л):
Na2S…30
NаОН… 20
Режимработы: t = 20-25 °С; tа = 2-З А/дм2.
Снятие хрома со стальных деталей может быть осуществлено при іа — = 15-20 А/дм2 в отработанном электролитехромирования.
Из литературного обзора,а также по опыту работы предприятия выбираем сульфатный электролит.
Состав электролита ирежим работы:
СгО3 200 – 250 г/л. t – 50 ºC
H2SO4 2,0 – 2,5 г/л. і – 25 А/дм(кв.)
Из литературного обзора,выбираем сульфатный электролит, состав которого следующий:
СгО3_____150— 300 г/л,
H2SO4 _______2.25 – 2.5 г/л
І _________15 — 60 А/дм
t__________45 – 55 С°
2. Конструктивный расчет
2.1 РАСЧЕТ ОБЪЕМАПРОДУКЦИИ ПРЕДНАЗНАЧЕННОЙ К РЕАЛИЗАЦИИ ИЛИ ПРОГРАММНАЯ ПРОГРАММА ЦЕХА
/>
С учетом коэффициентабрака />1%:
/>
2.2 РАСЧЕТ ФОНДА ВРЕМЕНИДЛЯ ПРОИЗВОДСТВ СО СМЕННЫМ ГРАФИКОМ
/>
Где n – количество смен.
/>
/>
Где a – процент потерь рабочего времени(для автоматизированного оборудования и двусменного раб. дня а=8%)
n – число смен
/>
Производительностьрассчитаем по формуле:
/>
2.3 РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИВ ТОКОВЫХ ЕДИНИЦАХ
/> (А)
Реакции на электродах:
К: />
/>
/>
А: />
k =52/6*26.8=0.3234 г/А*час
/>
3. Технологическийпроцесс хромирования
3.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Определим время электрохимическогоосаждения хрома:
/> мин.
δ – толщина покрытия, мкм.
/> - плотность хрома, г/см(куб.)
/> - катодная плотность тока А/дм(кв.)
Вт – выход по току хрома
/> - электрохимический эквивалент,г/Ачас
Загрузочные данныедетали:Наименование деталей Металл Характеристика Габариты подвески Число деталей на подвеске/в агрегате Площ. На загр. м (кв.) Годов. Произв. габариты, мм масса, кг
S, дм
(кв.) м(кв.) С браком м(кв.) ЗП в год Кольцо упорное 30ХГСА
Ø = 82
L = 12 0.09 3,73 1250×800 20 0,746 25000 25250
Производственнаяпрограмма:
/>ЗП/год.
Где /> - производственная программа, м(кв.)/год.
/> - загрузка на ванну, м (кв.)
3.2 КАРТАТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ХРОМИРОВАНИЯ№ Наименование операций Состав раствора Концент-рация, г/л Режим работы Т,ºС I, А/дм(кв.) τ, мин
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Загрузка – выгпузка
Электрохимическое обезжиривание на катоде и аноде.
Вода техническая проточная
Анодная активация (перед прогреть дет. В теч. 2-3 мин)
Хромирование
Промывка в холодной непроточной воде
Промывка в хол. Воде
Промывка в гор. Воде
Сушка детали
Натрий едкий
Хромовый ангадрид технич. ГОСТ 2548-77
H2SO4
Хромов. Ангидрид
H2SO4
Вода техн. непроточная
Вода техн. проточная
Вода техн. проточная
30 – 50
40-50
200-250
2-2,5
200-250
2-2,5
18-35
50
50
60-90
90
5,3
20-25
50
20-25
20-25
10
1
0,5-1
60
1-2
1-2
1
15
3.3 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ
3.3.1 Темп выходаподвесок рассчитываем по формуле
/>
Где /> - эффективный фонд рабочего времени.
/> - число подвесок в загрузке.
/> - общая площадь деталей.
3.3.2 Количество ваннхромирования
/>
Где τ1 – длительность поцесса, мин.
Т – Темп выходазагрузочного приспособления, мин.
Принимаем n =9 (ванн хромирования).
Коэффициент загрузкиванн:
/>
Где n, na – расчетное и принятое количество ванн.
В остальных процессахдлительность каждой операции ниже Т, поэтому принимаем по одной ванне.
3.3.3 Рассчитаем кол-вооператоров
/>
Где /> = кол-во позиций в линии (18)
k = коэффициент учитывающий обратные ихолостые ходы оператора (к=1,5-2,5)
τ2 – времяобслуживания оператором одной ванны.
Передвижение подвески изодной ванны в другую включает: вертикальный подъем τв, время выстоя τвыст=5-6сек.,горизонтальное перемещение τг,время остановки τост=2сек., Снова вертикальноеперемещение τв, время остановки τост=2сек.:
τ2= τв+ τвыст+ τг+ τост+ τв+ τост
Для тельферныхавтооператоров
Wг – скорость гор. перемещения равно17-18 м/мин.
Wв — скорость верт. перемещения равно8 м/мин.
l – расстояние между ваннами равно 1,1 м.
H – высота подъема приспособленияравно 2м.
τв = H/ Wв=2/8=0.25мин.
τг = l/ Wг=1,1/17=0,065мин.
τ2 =0,25+6/60+0,065+2/60+0,25+2/60=0,73мин.
/>
Принимаем 4 автооператора.
Общее время на обработкуодной загрузки деталей:
τ=τ1+τ2=51,41+0,73=52,14мин.
Количество загрузочныхприспособлений на линии:
/>
Принимаем 8 загрузочныхприспособлений.
4. Конструктивный расчет
4.1 РАЗМЕР ВАННЫ
/>/>
Длина ванны:
/>
Где /> — длина подвески, мм. (1250)
/> - расстояние между стенкой оподвеской, мм. (150)
/> - расстояние между подвесками, мм.
/>мм.
Принимаем длину ванны1600мм.
Ширина ванны (внутренняя)
Ввн = 2b1 +b2=2*100+600=800мм.
Где b1 =100мм. – расстояние между осями анодных штанг до стенки.
b2 = 600мм. – расстояние между осями анодных штанг.
Высота ванны
Определим внутреннюювысоту ванны:
Нвн = h1+h2+h3+h4 =150+50+800+200=1200мм.
Где h1 – 150мм – расстояние от уровня Эл-та до верхнего края ванны.
h2 -20мм. – высота уровня эл-та над подвеской.
h3 – 800мм. – высота подвески.
h4 – 200мм. – расстояние от дна ванны до нижнего края подвески.
Принимаем высоту ванны1250мм.
Толщина стенок зависит отматериала ванны и изоляции. Ванны футерованы кислотостойким пластикатомтолщиной 5 мм. Корпус ванны стальной толщиной Ст3, 5мм.
Согласно ГОСТу 23738-79принимаем размер ванны для промывки и химической обработки 1600*800*1250 мм.
Определим объем эл-та вваннах хромирования и обезжиривания.
/>л. =1,4м (куб.)
4.2 РАСЧЕТ ГАБАРИТОВЛИНИИ
Определим длину линии
/>,
где n – число ванн одного типоразмера,
/> - ширина ванн, мм. (800мм. – длятоковых ванн, 630мм. – для бестоковых ванн),
/> - ширина сушильной камеры, мм.(630мм.)
/> - ширина загрузочно-разгрузочнойстойки, мм. (600мм.),
Δ/> - зазор между сушильной камерой изагрузочно-разгрузочной стойкой (1000мм.),
/> - кол-во ванн без бортовых отсосов,
Δ /> - зазор между стенками ванн безбортовых отсосов,
/> - кол-во односторонних бортовыхотсосов,
Δ/>-зазор между стенками ванн содносторонним бортовым отсосом, мм. (290мм.)
/> - кол-во двусторонних бортовыхотсосов,
Δ/>-зазор между стенками ванн сдвусторонним бортовым отсосом (390мм.)
/> - ширина одностороннего бортовогоотсоса, мм. (212мм.)
/>
Определение ширины линии
Вл = />+В1+В2
где /> - внутр. длина ванны, мм. (1600мм.)
В1 – Расстояние от внутр. части стенки ванны до наружнойплоскости опорной стойки. Принимаем для подвесочных автооператоров 655мм.
В2 — Расстояние от внутр.стенки ванны до наружной плоскостиплощадки обслуживания, 1165мм.
Вл = 1600+655+1165=3420мм.
4.3 ВЫСОТА ЛИНИИ
Высота линии Нпринимается в зависимости от внутренней высоты ванн и способа обработки изделий(линию обслуживает подвесной автооператор).
Для Н ванн – 1250 мм. И подвесного автооператора высота линии принимается 4700мм.
5. Материальный расчет
5.1 РАСХОД ХИМИКАТОВ ДЛЯПЕРВОНАЧАЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ
/>
Где с – концентрайия компонента в ваннег/л.
V – объем электролита, л.
В – количествоодноименных ванн
N – количество линий
/>
Ванна анодной активации.
С (CrO3)=250г/л.
/>
Ванна хромирования.
С (H2SO4) = 2,5г/л.
С (CrO3)=250г/л.
/>
/>
5.2 РАСХОД ХИМИКАТОВ НАЗАМЕНУ РАСТВОРОВ В ВАННАХ ЗА ГОД
Ванна электрохимическогообезжиривания – 1 раз в 2 месяца.(6раз в год)
/>
5.3 РАСХОД ХИМИКАТОВ НАВЫПОЛНЕНИЕ ПРОГРАММЫ
Расход химикатов навыполнение программы складываются из расхода химикатов на замену растворов ипотери компонентов электролитов за год
Ванна электрохимическогообезжиривания. Норма расхода 0,48л/м(кв.)
/>
Ванна анодной активации.Норма расхода 0, 48л/м(кв.)
/>
Ванна хромирования
Количество хромовогоангидрида, расходуемого для выполнения годовой программы, рассчитывается поформуле:
/>
Где F – годовая программа, м(кв.)=25250
/>-удельный расход хромового ангидрида
/>=/>
Где А – количествоангидрида, необходимого для покрытия 1 кв. метра поверхности толщиной 1 мкм. Масса хромового покрытия толщиной 1 мкм. На 1 кв. м. поверхности основы составляет 7г. этой массе хрома соответствует 14г. Ангидрида.
Пв – потери Эл-та ввентиляцию – 0,052 г/кв. м.
х – концентрацияхромового ангидрида в Эл-те 250г/л.
δ – средняя толщинапокрытия – 12 мкм.
Пд – потери эт-та,уносимого деталями 0,095л/кв. м.
Пк — потери эт-та, прикоррекутировке – 0,035л/кв. м
/>
/>
/>
5.4 РАСХОД АНОДОВ
При хромированииприменяют свинцовые нерастворимые аноды.
Расход анодов напервоначальный пуск оборудования.
Состав анодов дляхромирования:
Свинец – 90%; сурьма- 8%;олово – 2%.
Массу анодов для ванныопределяем по формуле
/>
где k1 – отношение суммарной ширены анодовк длине ванны – 0,6
k2 – отношение высоты анодов в глубиневанны – 0,8
n – число анодных штанг — 2
α – длина ванны – 1,6м.
H – высота ванны – 1,25м.
δ — толщина анода – 0,01м.
γ – плотность свинца – 11250 кг/м(куб.)
/>
Кол-во анодов для участка
/>
где G – необходимая масса анодов, дляодной ванны, кг.
N – кол-во ванн в одной линии.
C – кол-во автоматических линий.
/>
Аналогично рассчитываетсярасход анодов на первоначальный пуск для ванн электрохимического обезжириванияи активации
Ванна электрохимическогообезжиривания:
/>
Ванна активации:
/>
Определение кол-ва анодовв ванне хромирования, активации.
/>
где n – кол-во анодных штанг (2) в ванне
0.6 – коэффициент,определяет отношение суммарной ширины анодов к длине анодной штанги
α – длина ванны – 1,6 м.
b – ширина одного анода – 0,25м.
l – длина анода 750мм.
р – непогруженная частьанода 50мм.
/>
Площадь одного анода S =250*750=187500мм(кв.) = 18,75дм(кв.). В ванне 8 анодов, тогта общ. S =18,75*8=150дм(кв.)=1,5м(кв.). При хромировании отношение Sa:Sk=2:1, у нас Sк.ср.=0,87м(кв.), соотношение выдерживается, значит кол-во и размеры анодоврассчитаны правильно.
Кол-во анодов длявыполнения программы.
Расход нерастворимыханодов на годовую программу рассчитывается по формуле:
/>
где Mg – норма идеального расходанерастворимых анодов, г/ м(кв.) (для ТВ. Хромирования анод с составом: свинец –90%, сурьма – 8%, олово – 2 %, Mg=1.6г/м(кв.) при толщине 1 мкм. Для электрохим. Обезжиривания анод – стальникелирования, Mg=1.15 г/м(кв.).
а) Хромирование
/>кг
б) Аноднаяактивація
/>кг
в) Электрохимическоеобезжиривание
/>кг
Ведомость расходаанодов.Наимен операций Наимен. Материала анодов. Расход на 1 м(кв.) обрабат. Поверхности, г. Обрабатывемая поверхн. Расх. мат. на первонач. пуск, кг. Расх. мат. На программу, кг.
Электро
хим. обезж. Сталь никелированная 1.15 25250 75.84 24.4 Анодная активац.
Сталь,
Pb-90%
Sb-8%
Sn-2% 1.6 25250 2.16 33.94 Хромирование
Pb-90%
Sb-8%
Sn-2% 1.6 25250 1512 407.2
5.5 РАСЧЕТ РАСХОДА ПАРА
/>
где V – объем раствора – 1,4м(кв.)
n – кол-во ванн данного типаразмера — 6
P1 – удельный расход пара на разогревдо данной температуры – 105кг/м(куб.)ч
Tc – кол-во рабочих суток в году — 253
P2 – удельный расход пара при работеванны – 13,6кг/м(куб.)ч
T – эффективный часовой фонд времениработы оборудования – 3807 час.
/>кг.
Расход для ванн горячейпрмывки:
/>кг.
Суммарный расход:
∑Р =769,1+656,3=1425,4 кг.
5.6 РАСХОД ВОДЫ НАПРОМЫВКУ
/>
Где q – удельный вынос раствора из ванныповерхностью детали л/м(кв.) –0,2
k – критерий окончательной промывкидаталей
Fчас – часовая производительностьлинии – 5,57м (кв.)/час.
/>
Где х – концентрацияосновного компонента г/л.
Хn – предельно допустимая концентрация в последней ваннепромывки
Если перед промывкойэлектролит улавливают, то величину удельного выноса раствора уменьшаютвведением коэффициентов: 0,4 при одной ванне улевливания: 0,15 – при двухваннах улавливания.
Промывка после ванныобезжиривания. Последовательная двуступенчатая каскадная промывка.
ХNaOH = 40г/л. Хn = 0.1г/л.
/>
/>
Промывка после ванныхромирования
CrO3 = 250г/л. Хn = 0.01г/л. Хcr = />=/>г/л.
/>
/>
∑Q = (22.28+6.84)3817.2=111160.8л/год=111,15м(куб.)/год
Расход воды насоставление растворов, восполнение испарения, промывку оборудования принимаетсяв размере 15-20% от расхода на промывные воды
/>
Общий расход водысоставляет:
Qобщ = />
/>
6.ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ
Электрическийрасчёт ЭХА сводится к составлению баланса напряжения для данного вида ЭХА. Дляэлектрохимического аппарата, рассматриваемого в данной курсовой работе, баланснапряжения будет иметь вид[4]:
/> (4.1 )
гдеU – напряжение между анодной икатодной штангами, В;
Epa– Epk– равновесные электродные потенциалы анодной и катодной реакции,соответственно, В;
ŋaи ŋk – абсолютныезначения перенапряжения анодной и катодной реакции, соответственно, В;
ΔEэл-т –падение напряжения в электролите, В;
ΔЕэл-д –падение напряжения в электродах, В;
ΔЕтокоподвод– падение напряжения в ошиновке ванны, анодных и катодных штангах, анодныхкрючках, В;
ΔЕконт –падение напряжение в контактах, В.
6.1РАСЧЁТ РАЗНОСТИ РАВНОВЕСНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Электролитэлектрохимического обезжиривания состава:
NaOH – 40г/л.
іа =ік =5,3 А/дм(кВ.): t = 18-35 ºC аноды – никелированная сталь.
Катод:/>
Анод:/>
Суммарная:/>
Рассчитаемпотенциалы анода и катода по формуле:
/>
гдеΔG – свобдная энергияГиббса, Дж/моль;
Е– электродвижущая сила системы, В;
n – количество электронов,принимающих участие в реакции;
Посправочнику находим величины энергии Гиббса всех участвующих в реакцияхвеществ:
ΔGH2=0кДж/моль;
ΔGH+=0кДж/моль;
ΔGO2=0кДж/моль;
ΔGH2O=-237,23кДж/моль.
ΔGОН=-157,35кДж/моль.
/>,
/>
Приизменении температуры (от 25оСдо 100оС) можно пользоваться так называемымтемпературным коэффициентом стандартного электродного потенциала (напряженияразложения) dE/dT. Он показывает, на сколько вольт меняется потенциал приизменении температуры на один градус:
/>
Величинытемпературного коэффициента стандартного электродного потенциала (напряженияразложения) приводятся в литературе или рассчитываются, как:
/>
гдеΔS – энтропия реакции,Дж/(моль·К); Е – электродвижущая сила системы, В; n– количество электронов, принимающих участие в реакции; F– число Фарадея.
Рассчитаемэнтропию реакции:
/>
Изсправочных данных[16] находим величины энтропии всех участвующих в реакцияхвеществ:
/>
Отсюда:
/>
/>/>
Еслиактивность потенциалопределяющих компонентов в растворе отличается от 1, топотенциал анодной или катодной реакции можно рассчитать по уравнению Нернста:
/>
гдеаox, аred – активность окисленной и восстановленной формвещества, а=Сγ, γ – коэффициент активности; С – концентрациявещества; ν – стехиометрический коэффициент.
/>
Вбольшинстве случаев электролит в электрохимических производствах представляетсобой смесь разных компонентов с различными концентрациями. При этом, навеличину коэффициента активности потенциал-определяющих ионов оказывает влияниеконцентрация всех компонентов. Выражение для равновесного потенйиала катоднойреакции при 30 град. Будет:
/>
Активностьводы определим по закону Рауля:
/>
/>
/>
Запишемвырожение для />:
/>
/>
/>
/>/>
/>
Разностьпотенциалов:
/>
6.2РАСЧЁТ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ БАЛАНСА НАПРЯЖЕНИЯ
Расчёт катоднойполяризации:
Расчёт поляризаций произведёмсогласно уравнению Тафеля:
/>
Для щелочного электролитаобезжиривания при t=20ºCконстанты соответственно ровны:
/>;
/>
Если температура процессаотличается от 298К, то вводят температурную поправку.
/>
/>
где А~8.104Дж/моль — энергия активации[12];
α – коэффициентпереноса электрона, примем равным 0,5.
Пересчёт этих величин натемпературу процесса Т=308ºК:
На катоде:
/>
/>
Тогда />
Аналогично рассчитываемперенапряжение переноса выделения кислорода на аноде:
/>;
/>
/>
/>
Тогда />
6.3РАСЧЁТ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЛИТЕ
Расчётпадения напряжения в электролите производится по формуле:
/>
гдеI – ток ванны, А;
ρи æ – удельное сопротивление и удельная электропроводность,
Ом-1· см-1 и Ом · см, соответственно;
l – расстояниемежду электродами, см;
S – среднее сечение электролита, см²;
iср– средняя плотность тока в электролите, А/см²,
æ– (NaOH)=0.2111/Ом*См|
За минимальноерасстояние принимаем среднее между минимальным и максимальеным расстоянием отанода до детали, т. е.
/>
Так как дляэлектрохимического обезжиривания іа=ік=5,3А/дм(кВ.), то і(ср.)=5,3А/дм(кВ.)
/>
6.4 РАСЧЕТ ПАДЕНИЯНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОДАХ
Падение напряжения ванодах складывается из падения напряжения в непогруженой в электролит части ипогруженной части:
/>
/> />
I– ток ванны, А
ρ – удельноесопротивление материала анода при t=35ºC Ом*м;
ln– длина погруженной части анода, (750мм.)
lнп– длина непогруженной части анода, (50мм.)
Sa– поперечное сечение всех анодов, м.
/>
Удельное сопротивлениеанода:
/>
Сечение анодов:
/>
где δа – толщинаанода, паринята по ГОСТ 1180-70, (0,01м.)
bа– ширина анода (0,25м.);
na– кол-во анодов в ванне (8шт.)
Тогда
/>
/>
/>
6.5 РАСЧЕТ ПАДЕНИЯНАПРЯЖЕНИЯ НА КАТОДНЫХ ШТАНГАХ
/>
гдеρ – удельное сопротивление металла штанги, />
lшт – длина штанги – 1700мм. Кол-воштанг 2шт.
Sшт– поперечное сечение штанги
/>
Материал штанги – медь
Падение напряжения ванодной штанге составит:
/>
Падение напряжения вкатодной штанге составит:
/>
Оющее падениенапряжения составит:
/>
6.6 РАСЧЕТ ПАДЕНИЯНАПРЯЖЕНИЯ В ПОДВЕСКЕ
Так как большая частьподвески заизолирована, то падение напряжения будет величиной незначительной,ее можно принять Е=0,001В.
6.7 РАСЧЕТ ПАДЕНИЯНАПРЯЖЕНИЯ В КОНТАКТАХ
Определяют как суммупадений напряжения во все последовательно расположенных контактах на путипрохождения тока ванны от одной клеммы источника к другой. суммарноеЕконт.=0,2В.
Общее напряжение наванне химического обезжиривания составляет:
/>
Баланс напряжения ванныэлектрохимического обезжиривания:№ Составные баланса Величина составляющей, В Величина составляющей, % Разница равновесных потенциалов, Ер 0,843 10,57 Поляризация анода, 0,96 12,04 Поляризация катода, 0,644 8,076 Падение напряжения в Эл-те, 5,3 66,46 Падение напряжения в штангах, 0,001 0,012 Падение напряжения в Эл-дах, 0,025 0,313 Падение напряжения в подвеске, 0,001 0,012 Падение напряжения в контактах, 0,2 2,5 Напряжение 7,974 100
7. Тепловой расчет ваннхромирования
Техническаяхарактеристика ванны.№ Наименование характеристики Еденица измерения. Величина
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Токовая нагрузка
Напряжение
Время выдержки
Темп выхода подвесок
Состав электролита:
CrO3
H2SO4
Рабочая температура
Рабочий объем
Размер ванны:
длина
ширина
высота
Толщина стальной стенки
Масса подвески с деталями
Поверхность покрытия
Количество одноименных ванн
А
В
мин.
мин.
г/л
г/л
ºС
л
мм.
мм.
мм.
мм.
кг.
м(кв.)
484
7,974
51,41
6,76
150-200
2,25-2,5
50
1400
1600
800
1250
5
20
0,746
8
Определим условиетеплового равновесия хромовой ванны и удельного расхода энергоносителя на 1 м(кв.)поверхности.
Составим уравнениетеплового баланса за 1 час.
/>
Где />
qкомп– теплота, необходимая для компенсации избытка или недостатка тепла, кДж/час;
qгр– теплота, выделенная в ванне в процессе электролиза, кДж/час.;
qnдетqудет– теплотавносимая м выносимая деталями из ванны при рабочей температуре,кДж/час.
qпр– теплота уносимая продуктами реакции, кДж/час.;
qпот– потери теплоты в окружающую среду, кДж/час.
Электрохимическиепроцессы, протекающие в ванне:
1. /> Вт=13%
2. /> Вт=77%
3. /> Вт=10%
Термодинамическиеданные участников реакции:
/> кДж/моль
/> кДж/моль
/>, кДж/моль ΔНр298 -1491,9 -286,02 -236,1
Энтальпия реакции:
/>
/>
/>
7.1 ТЕПЛОТАВЫДЕЛЯЕТСЯ В ВАННЕ ЗА 1 ЧАС
/>
где I– 484А токовая нагрузка на ванну;
Eb- 7,974В– напряжение на ванне;
Ku– коэффициент использования ванны;
ΔHr– энтальпия реакции, кДж.;
n– число электронов;
F– число Фарадея
Для автооператорныхавтоматов коэффициент использования ванны рассчитывается по формуле:
/>
Где n– Число одноименных ванн (9);
T– Темп выхода 6,76мин.;
τ1– время хромирования. 51,41мин.
/>
/>
7.2 ТЕПЛОТА РАСХОДУЕМАЯНА НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ
/>
Где С-теплоемкость стали – 0,46кДж/кг*град
G– масса подвески с деталями – 20кг.
Nзагр– число загрузок в час:
/>
Где n– число ванн – 8;
T– 6,76 темп выхода
/>
7.3. ТЕПЛОТАУНОСИМАЯ ПРОДУКТАМИ
а) Хромом
/>
/>
I=484(токовая нагрузка на ванне)
Ссr– Удельная теплоемкость хрома
/>
/>
б) Водородом
/>
Определим удельнуютеплоемкость водорода:
/>
/>
/>
в) кислородом
/>
Определим удельнуютеплоемкость кислорода:
/>
/>
/>
Теплота, уносимая всемипродуктами (твердыми и газообразными):
/>
7.4. ОПРЕДЕЛИМТЕПЛОВОЙ ПОТОК, УНОСИМЫЙ ПАРАМИ ВОДЫ
/>
Где Спара – удельнаятеплота парообразования при рабочей температуре электролита tp=50ºC,Спара=2380кДж/кг
СH2O– средняя удельная теплоемкость воды 1,28кДж/кг.к
tp=50ºC – рабочая температура;
tв– температура окружающей среды(20град.)
qисп– масса испарившейся воды в еденицу времени с поверхности зеркала электролита.Рассчитаем ее по уравнению Дальтона:
/>
Где Св – коэффициент,зависящий от скорости движения воздуха(0,71)
Sзерк.– площадь зеркала электролита; здесь 1,6м. – длина ванны; 0,8 – ее ширина
/>
Р – 101325Па –армосферное давление;
Р1 – давлениенасыщенного водяного пара про t-50
Р1=0,1258кгс/см(кв.)*9,81*10^4=12340Па
Р2 – парциальноедавление водяного пара при температуре воздуха: Р2=φР’2
где P’2– давление насыщенного водяного пара при температере воздуха:
P’2=0.0238кгс/см(кв.)=0,0238*9,81*10^4=2335Па
φ – относительнаявлажность воздуха (0,8)
Р2=0,8*2335=1868Па
Тогда
/>
Тепловой поток,уносимый парами воды:
/>
7.5 УДЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИЭЛЕКТРОЛИТА ЗЕРКАЛОМ ЭЛЕКТРОЛИТА ИЗЛУЧЕНИЕМ И КОНВЕКЦИЕЙ
/> [2]
/>
/>
7.5. ПОТЕРИТЕПЛОТЫ СТЕНКИ ВАННЫ
Потери теплоты стенкиванны путем излучения и конвекции находим, решая систему двух уравнений, принявтемпературу внутренней стенки ванны:
/> [2]
Для определениятемпературы наружной стенки ст2, решим 2 уравнения: зависимость тепловогопотока через стенку при tст1=49градот tст2
/> [2]
/>
Где δст и λст– толщина и удельная теплоемкость стали, соответственно, δфут и λфут– толщина и удельная теплоемкость футеровки,
δокал и λокал– толщина и удельная теплоемкость окалины на поверхности стенки
δст = 0,005м λст= 46,5Вт/м К
δфут = 0,0005м λфут= 1,16Вт/м К
δокал = 0,004м λокал– 0,16Вт/м К
/>
При q1=q2получим:
/>
/>
/>ºС
Тогда потери тепластенками:
/>
7.7 ТЕПЛОВОЙ ПОТОКПОТЕРЬ ДНИЩЕМ ВАННЫ, ОБРАЩЕННЫМ К НИЗУ БУДЕТ
/>
7.8 ОБЩИЕ ПОТЕРИТЕПЛОТЫ ВАННОЙ ЗА 1 ЧАС
/>
Ванна имеет 2 неэкранированные стенки:
Sнеэкр=2*1,25*0,8=2м(кв.)
И 2 экранированые:
Sэкр=2*1.6*1.25=4м(кв.) Коэффициент экранирования Кэ=0,5
/>кДж/час
7.9 ТЕПЛОТА КОМПЕНСАЦИИ– ПО РАЗНОСТИ МЕЖДУ ПРИХОДОМ И РАСХОДОМ
/>
Ежечасно необходимоотводить 208085,84кДж тепла (избыточного), чтобы поддерживать температуру ваннына заданном уровне. Если же не отводить, то электролит нагреется на:
/>
Где Ср-ра –теплоемкость раствора (3,9кДж/кгК)
mэл-та – масса электролита (кг.)
mкрп – масса корпуса (кг.)
Сст — теплоемкостьстали (0,46 кДЖ/кгК)
/>
/>
ρ эл-та –плотность эл-та (1150кг/м(куб.))
/> чего допускатьнельзя!
7.10 РАСХОД ВОДЫ СНАЧАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ 20ºС И КОНЕЧНОЙ 30 ºС
/> [2]
7.11 РАСЧЕТ ЗМЕЕВИКАДЛЯ ОТВОДА ИЗБЫТОЧНОГО ТЕПЛА
Введем обозначения:
20ºС – температураводы на входе;
30ºС – температураводы на выходе;
gв– массовый поток воды (4978,13кг/час)
W– линейная скорость, м/ч
Змеевик – свинцоваятрубка, наружный диаметр 60мм. δ ст=5мм.
Теплопроводность свинцаλ=34,9 Вт/мК;
Плотность воды при tср=(30+20)*0,5=997кг/м(куб.)
Коэффициент вязкостиводы при 25 град.
μ(25)=902*10^-6Па*с
μ(50)=549*10^-6Па*с
Коэффициенттеплопроводности воды
λ =60,0*10^-2Вт/мК
Критерий Прандтля при25ºС
Pr= 6.22
Рассчитаем рядпараметров для определения критерия Рейнольдса и коэффициента теплопередачи.
Внутренний диаметртрубы:
dвн=dн-2*δст=60-2*5=50мм.
Площадь поперечногосечения трубы:
/>
Объемная скорость водыв трубе:
/>
Линейная скорость водыв трубе:
/>
Находим критерий Рейнольдса:
/>
Коэффициенттеплопередачи для горизонтального расположения трубы:
/>
Рассчитываемкоэффициент теплопередачи от электролита к воде по формуле:
/>
Определим поверхностьтеплопередачи:
/>
/>
Определим длинузмеевика для охлаждения:
/>
Где dср– (dн+dвн)*0.5=(0.06+0.05)*0.5=0.055м
7.12 РАСЧЕТ ЗМЕЕВИКАДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАГРЕВА
/>
Qнагр– кол-во теплоты, необходимой для нагрева, кДж:
k– коэффициент теплопередачи от пара к раствору,
τ – времяразогрева в сек.
Δtср– средняя разность температур пара и раствора, к.
/>
/>, большаяразность емператур пара и р-ра
/>, меньшаяразность температур
Расчет коэффициентатеплопередачи от пара к рнаствору через стальную стенку трубой Толиной 5мм. приучете слоев ржавчины со стороны пара и рас-ра толщиной 0,2мм.
/>;
Где α1- коэффициенттеплопередачи при конденсации пара в трубках:
α=12000
δ – толщина слояржавчины, 0,2мм.
λрж – удельнаятеплопроводность ржавчины, принимаем 1,16 Вт/м(кв.)К
δст – 5мм.
α 2 – коэффициенттеплоотдачи от стенки к раствору, определим по формуле:
/>
l– определяющий размер, диаметр трубы0,05м.;
/>
Где С – теплоемкостьраствора 4,19кДж/кгК
λр – удельнаятеплоемкость раствора, принимаем 0,58
μ – вязкостьрас-ра 0,8*10^-3Па
/>
g– 9.81? м/с(кв.);
d– диаметр трубы, принимаем 50мм=0,05м;
β – коэффициентобъемного разширения, 0,63*10^-3
/> -кинематическаявязкость, м(кв.)/с
/>
/>
50 – рабочаятемпература раствора
20 – начальнаятемпература раствора
/>
/>
Расход тепла наразогрев электролита(от 20 до 50):
/>
где Сэл-та –теплоемкость Эл-та;
mэл-та– масса Эл-та;
/>
a(CrO3)=12% C(CrO3)=0.762кДж/кгК
a(H2O)=88% C(H2O)=4.18 кДж/кгК
/>
/>
Vраб– 1.4м(куб.) ρэл-та – 1150кг/м(куб.)
Расход тепла на нагреваниеЭл-та:
/>
Расход тепла нанагревание корпуса ванны:
/>
Сст – удельнаятеплоемкость стали 0,46
mкорп= 335кг.
/>
Определим расходтеплоты на нагрев:
/>
Определим поверхностьнагрева:
/>
τ – времяразогрева 1,5часа
Длина змеевика длянагрева:
/>м
Змеевик размещается подну ванны.
8. Очистка сточных вод
Гальванотехника – одно изпроизводств, серьезно влияющих на загрязнение окружающей среды, в частностиионами тяжелых металлов, наиболее опасных для биосферы. Главным поставщикомтоксикантов в гальванике (в то же время и основным потребителем воды и главнымисточником сточных вод) являются промывные воды. Объем сточных вод очень великиз-за несовершенного способа промывки деталей, который требует большого расходаводы (до 2 м3 и более на 1 м2 поверхности деталей).
На очистных сооруженияхнаиболее распространенным методом обезвреживания гальваностоков являетсяреагентный метод, в частности, осаждение металлов гидроксидом кальция, необеспечивающий доведение содержания ионов тяжелых металлов в стоках досовременных ПДК. Основным недостатком этого метода является большое количествошламов, содержащих токсичные соединения тяжелых металлов. Утилизация ипереработка образующихся шламов – очень сложное и дорогостоящее производство, ав некоторых случаях шламы не поддаются переработке. В таких случаях возвратхимреактивов и металлов в цикл производства практически исключен. Основнымметодом обезвреживания таких отходов является захоронение их на специальныхплощадках, если таковые предусматриваются. Однако чаще всего эти шламы либоскладируются на территории предприятия, либо неконтролируемо сбрасываются вовраги, водоемы, леса, а в лучшем случае на городские свалки. Лишь частьгальваношламов находит применение в строительстве при производстве строительныхматериалов.
8.1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОРМЕТОДОВ ОЧИСТКИ ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНОПРОИЗВОДСТВА
Известно большоеколичество методов извлечения цветных металлов из сточных водгальванопроизводства. Наиболее используемые методы подразделяются на:
-реагентные,
-биохимические,
-электрохимические,
-мембранные,
-сорбционные,
-комбинированные.
РЕАГЕНТНЫЙ МЕТОД
Наиболее распространенныйметод, заключающийся в переводе растворимых веществ в нерастворимые придобавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков.
В качестве реагентовиспользуют гидроксиды кальция и
натрия, сульфиды натрия,феррохромовый шлак, сульфат железа(II), пирит [2, 6 — 9]. Наиболее широко для осаждения металлов используетсягидроксид кальция, который осаждает ионы металла в виде гидроксидов:
Me n+ + nOH — = Me(OH)n
Наиболее эффективным дляизвлечения цветных металлов является сульфид натрия, т.к. растворимостьсульфидов тяжелых металлов значительно ниже растворимости другихтруднорастворимых соединений — гидроксидов и карбонатов. Процесс извлеченияметаллов сульфидом натрия выглядит так:
Me 2+ +S 2- =MeS ;
Me 3+ +S 2- =Me2S3 .
Сульфиды тяжелых металловобразуют устойчивые коллоидные системы, и поэтому для ускорения процесса ихосаждения вводят коагулянты и флокулянты.Так как коллоидные частицы сульфидовимеют отрицательный заряд, то в качестве коагулянтов используют электролиты смногозарядными катионами — обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа,также их смеси. Соли железа имеют ряд преимуществ перед солями алюминия:
а) лучшее действие принизких температурах;
б) более широкая областьоптимальных значений рН среды;
в) большая прочность игидравлическая крупность хлопьев;
г) возможностьиспользовать для вод с более широким диапазоном солевого состава.
При использовании смесей Al2(SO4)3 и FeCI3в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чемпри раздельном применении реагентов. Кроме вышеназванных коагулянтов, могутбыть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства,травильные растворы, пасты, смеси и шлаки, содержащие диоксид кремния. Дляускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиакриламид.Добавка его в количестве 0.01% от массы сухого вещества увеличивает скоростьвыпадения осадков гидроксидов металлов в 2 — 3 раза [6]. Метод реализован набольшинстве предприятий в виде станций нейтрализации. Достоинства метода:
1) Широкий интервалначальных концентраций ИТМ.
2) Универсальность.
3) Простота эксплуатации.
4) Отсутствуетнеобходимость в разделении промывных вод и концентратов.
Недостатки метода
1) Не обеспечивается ПДКдля рыбохозяйственных водоемов.
2) Громоздкость оборудования.
3) Значительный расходреагентов.
4) Дополнительноезагрязнение сточных вод.
5) Невозможность возвратав оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания.
6) Затрудненностьизвлечения из шлама тяжелых металлов для утилизации.
7) Потребность взначительных площадях для шламоотвалов.
Процесс осажденияметаллов включает следующие стадии:
1) добавление фосфорнойкислоты или ее кислой соли к водному раствору из расчета моль фосфата на мольтяжелого металла;
2) понижение рН до 3добавлением серной кислоты;
3) добавление коагулянта FeCl3 в концентрации 0.75-1.5 г/л;
4) увеличение рН растворадо 8.5 добавлением гидроксида кальция и получение осадка, включающегоскоагулированные фосфаты металлов;
5) обезвоживание осадка.
БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД
В последнее время у нас встране и за рубежом увеличились масштабы проводимых исследований по разработкетехнологии выделения тяжелых цветных металлов из сточных водгальванопроизводств биохимическим методом сульфатовосстанавливающими бактериями(СВБ). Однако достигнутое при этом снижение концентраций ионов тяжелыхметаллов, в частности таких, как хром, составило только 100 мг/л, что нельзяпризнать оптимальным, исходя из реальных концентраций ионов шестивалентногохрома (200 — 300 мг/л). В мировой практике было исследовано влияние высокихконцентраций ионов тяжелых металлов на эффективность их извлечениябиохимическим методом. Так, скорость изменения концентрации шестивалентногохрома определяли в стеклянных реакторах, строго выдерживая анаэробные условияпротекания процесса. Для развития сульфатвосстанавливающих бактерий в реакторывводили питательную среду Постгейта. Кроме того, отдельные серии опытовпроводили на пилотной установке непрерывного действия, состоящей из биотенкапроточного типа и отстойника. В Уфимском нефтяном институте разработанкомплексный метод биохимического извлечения хрома. Сущность его заключается виспользовании специализированных бактериальных культур, отличающихся высокойстойкостью к отравляющему действию хрома. Хромсодержащие сточные воды подают всоответствующие емкости-накопители, затем — в биотенк, где смешиваются сбактериальными культурами. Из биотенка очищенные воды отводятся в отстойник,после чего направляются в фильтры для доочистки. Очищенная вода поступает наповторное использование. Хромсодержащие осадки, образующиеся в биотенках,отстойниках и фильтрах, подаются в шламонакопитель, обезвоживаются навакуум-фильтрах и используются в качестве добавок при производстве строительныхматериалов. Достоинствами этого метода являются высокая эффективность ипростота технологического оформления процесса.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В настоящее времяэлектрохимические методы выделения тяжелых цветных металлов из сточных водгальванопроизводства находят все более широкое применение. К ним относятсяпроцессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции,электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродахпри пропускании через раствор постоянного электрического тока.
Проведенные исследованияпо очистке сточных вод гальванического производства в условияхэлектрохимической неравновесности установили, что восстановительные процессы всточых водах протекают при взаимодействии сольватированных электронов сгидратированными и связанными в комплексные соединения ионами металлов.Показано, что содержание Zn,Cu,Cd,Mo,Co в сточных водах после обработки вусловиях электрохимической неравномерности не превышает, а в ряде случаевзначительно ниже ПДК.
7.1.3.1. Методэлектрокоагуляции
7.1.3.2. Методэлектрофлотации
7.1.3.3 Метод электролиза
7.1.3.4. Методгальванокоагуляции
МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ
Методы мембранногоразделения, используемые в технологии выделения цветных металлов из сточных водгальванопроизводства, условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию,обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшиеуспехи в отношении эффективности и технологичности выделения цветных металловдостигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации иэлектродиализа.
Достоинства метода
7.1.4.1. Метод обратногоосмоса
1) Возможность очистки дотребований ПДК.
2) Возврат очищенной водыдо 60% в оборотный цикл.
3) Возможность утилизацииценных компонентов.
4) Отсутствие фазовыхпереходов при отделении примесей,
что позволяет вестипроцесс при небольшом расходе энергии.
5) Возможность проведенияпри комнатных температурах без
применения или снебольшими добавками химических реагентов.
6) Простота конструкцийаппаратуры.
Недостатки метода
1) Необходимостьпредварительной очистки стоков от масел, ПАВ, органики, растворителей, солейжесткости, взвешенных веществ.
2) Значительный расходэлектроэнергии.
3) Дефицитность идороговизна мембран.
4) Сложностьэксплуатации.
5) Отсутствиеселективности.
6) Чувствительность кизменению параметров очищаемых вод
СОРБЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
Сорбционные методыявляются наиболее распространенными для выделения хрома из сточных водгальванопроизводства. Их можно условно поделить на три разновидности:
1) сорбция наактивированном угле (адсорбционный обмен);
2) сорбция на ионитах(ионный обмен);
3) комбинированныйметод..
КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ
Наиболее распространеннымиз всех разновидностей сорбционного метода является комбинированный метод,который заключается в использовании и угля, и ионитов одновременно дляизвлечения хрома. Суть его такова: сточные воды подаются на гравийно-угольныйфильтр, затем последовательно на сильнокислый катионит, слабоосновной анионит идалее — сильноосновной анионообменник. После прохождения всего комплексавыделения хрома через ионообменные колонны, вода имеет высокую степень чистотыи может использоваться повторно. Извлеченный хром может быть направлен наутилизацию в кожевенную промышленность для дубления кож.
Для выделения тяжелыхметаллов, в том числе и хрома, из сточных вод гальванопроизводства учеными былопредложено использовать хелатообразующий реагент с дитиоаминогруппами.Последний получают путем смешения одинаковых количеств органическихдиаминосоединений и CS2 при пониженной температуре в течение нескольких часов споследующей нейтрализацией щелочным раствором и удалением непрореагировавшегоCS2. Образующийся после интенсивного перемешивания в течении 20 — 120 минутосадок хелата хрома удаляют седиментацией или фильтрацией.
Литература
1. Гальваническиепокрытия в машиностроении. Том 1 под редакцией д-ра техн. наук проф. М.А.Шлугера и канд. техн. наук Л.Д.Тока
2. Гальваническиепокрытия в машиностроении. Том 2 под редакцией д-ра техн. наук проф. М.А.Шлугера и канд. техн. наук Л.Д.Тока.
3. М.А.ДасоянТехника электрохимических покрытий. Машиностроение, 1989.
4. Б.Н.БайрачныйСправочник гальваника – Харьков Прапор, 1988.
5. А.М.Ямпольский,В.А.Ильин. Краткий справочник гальваника 3-е изд. Машиностроение 1981.