Автоматические системы управления химико-технологическими процессами Содержание Введение 1. Технологическая часть 1.1 Область применений цинковых и хромовых покрытий 1.2 Физико-химические свойства 1.3 Методы нанесения 1.4 Характеристика и условия эксплуатации деталей 1.5 Сравнительная характеристика электролитов 1.6 Выбор режима и особенности процессов 1.7 Технологические схемы нанесения покрытия 1.8 Контроль качества покрытий 1.9 Описание работы автоматических линий 2. Расчётная часть 2.1 Расчет фондов рабочего времени 2.2 Установление производственной программы 2.3 Определение продолжительности электролитического осаждения металла 2.4 Определение количества и производительности основных ванн 2.5 Расчёт автоматической линии 2.6 Расчет габаритов барабанов и размеров ванн линии цинкования 2.7 Расчет размеров ванн линии хромирования 2.8 Компоновка автоматической линии цинкования 2.9 Расчет количества автооператоров линий 3. Энергетические расчёты 3.1 Расчет поверхности загрузки и силы тока на ванну 3.2 Расчёт напряжения на ванне 3.3 Выбор и расчёт шин 3.4 Суточный расход электроэнергии на электролиз 3.5 Тепловой расчёт ванн 3.6 Определение параметров змеевика для подогрева электролита 3.7 Расчет расхода пара 3.8 Определение количества охлаждающей воды в рубашке 4. Материальные расчёты 4.1 Расчёт расхода анодов и материалов на первоначальный пуск 4.2 Расчёт расхода материалов на выполнение заданной программы 5. Строительно-компоновочные решения 6. Охрана труда 6.1 Характеристика и анализ вредных и опасных производственных факторов 6.2 Производственная санитария 6.3 Вентиляция и отопление 6.4 Освещение 6.5 Шум и вибрация 6.6 Техника безопасности 7. Охрана окружающей среды 7.1 Характеристика вредных веществ, используемых в цехе 7.2 Экологическая опасность растворов и электролитов 7.3 Расчет состава и объема сточных вод 7.4 Схема очистки сточных вод и ее описание 7.5 Расчет экономической эффективности средозащитных мероприятий 8. Автоматические системы управления химико-технологическими процессами 8.1 Обоснование выбора средств автоматизации 9. Экономическая часть 9.1 Расчёт капитальных затрат 9.2 Расчёт численности и годового фонда зарплаты 9.3 Расчёт затрат на материалы, топливо, энергию 9.4 Расчёт сметы расходов на содержание и эксплуатацию оборудования 9.5 Расчёт сметы цеховых расходов 9.6 Калькуляция себестоимости товарной продукции 9.7 Расчёт технико-экономических показателей Список литературы ВВЕДЕНИЕ На современном рынке защитно-декоративных покрытий с точки зрения инвестиций в производство одно из первых мест занимает хромирование. Более того, при высоком спросе предложение – весьма ограничено. Даже высокие цены не препятствуют спросу на покрытия хромом, часто превышающие на другие виды гальванохимических и лакокрасочных покрытий в несколько раз. Немаловажным является факт, что пакет заказов на блестящее хромирование легко формируется при мелкосерийном производстве. Конкурентоспособность таких процессов, как цинкование, чернение, анодирование, фосфатирование и т. п. определяется преимущественно производственными мощностями. С другой стороны, предприятия, имеющие развитое производство финишных покрытий, неохотно принимают мелкосерийные и разовые заказы, составляющие наибольшую долю в случае хромирования. Таким образом, даже у небольшого участка хромирования есть хорошие шансы к выживанию по соседству с крупными заводами, прочно укоренившимися на рынке гальванопокрытий ещё с советских времён. Строительство отделений защитных и износостойких покрытий планируется на производственной площади одного из крупнейших машиностроительных объединений восточной Сибири “ПО Усольмаш”, специализирующихся на выпуске обогатительного горношахтного, электролизного оборудования для предприятий металлургического комплекса России. Автомобильных и башенных кранов, флотационных машин и механизмов для алюминиевых заводов. К тому же имеет явное преимущество в отношении других регионов России по географическому месторасположению к весьма дешевым энергоресурсам ОАО “Иркутскэнерго”. Не мене важным фактором для водоёмкого гальванического производства является непосредственная близость пресного водоёма – реки “Ангары”. И наконец существование несколько учебных заведений специализирующихся на подготовке специалистов электрохимических производств. 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1 Область применений цинковых и хромовых покрытий Хромовые Электролитическое хромирование применяется для внешней отделки изделий, повышения износостойкости, для защиты от коррозии и в ряде других случаев. Декоративные и защитно-декоративные покрытия хромом отличаются долговечностью. Поэтому многие изделия, и в особенности работающие в тяжелых условиях эксплуатации, подвергаются декоративному хромированию: например, детали автомобилей, самолетов, вагонов, приборов, а также инструменты и изделия бытового характера. Полированные хромовые покрытия обладают хорошей отражательной способностью. Коэффициент отражения света хромом достигает 70%. Эта величина несколько меньше, чем для серебра, но зато хром не тускнеет на воздухе. Поэтому хромирование используется в производстве различного типа фар и других малоответственных светоотражателей. Наряду с этим, из хромового электролита возможно осаждение черного хрома, применяющегося для уменьшения коэффициента отражения света. Износостойкие хромовые покрытия применяются для многих инструментов и деталей машин, работающих на трение. К хромированию прибегают при покрытии новых деталей, а также при восстановлении изношенных, потерявших размеры во время работы на трение. Большое значение имеет исправление деталей, забракованных по размерам. Номенклатура деталей, подвергаемых хромированию для повышения износостойкости, достигает больших размеров: детали мерительных инструментов, предельные калибры, режущий инструмент – метчики, сверла, развертки, фрезы, протяжки, долбяки и пр., инструмент для холодной обработки металлов давлением – волочильные глазки, пуансоны и матрицы для листовой штамповки, штампы для холодной штамповки и т.д. Благодаря хромированию не только увеличивается срок службы деталей, но часто повышается качество выпускаемой продукции. Это наблюдается при хромировании валиков бумагопрокатных станов, штампов и пресс-форм для обработки неметаллических материалов и резины. Здесь важное значение имеют химическая стойкость и плохая смачиваемость хрома, что обеспечивает легкое отделение от формы и блеск отпрессованных деталей. Применение износостойких хромовых покрытий для восстановления изношенных деталей станков и двигателей внутреннего сгорания позволяет во много раз увеличить срок их службы. Примерами подобных деталей могут служить шпиндели станков, шейки коленчатых валов, распределительные валики, толкатели клапанов, поршневые пальцы, шейки валиков различных агрегатов и другие детали. Важной областью использования износостойких хромовых покрытий является хромирование цилиндров или поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. Однако для этих деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких удельных нагрузок, положительного эффекта от хромирования можно ждать лишь при покрытии пористым хромом [1]. В этом проекте для хромовых покрытий нашли применение при изготовлении штоков гидротолкателей в производстве флотацинных машин. Цинковые Цинковое покрытие сравнительно дешевое и доступное, поэтому оно широко применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, деталей машин, крепежных деталей, трубопроводов и других изделий. Цинковые покрытия в основном применяют для защиты стальных деталей от коррозии и реже как подслой при гальванопокрытии деталей из алюминия и его сплавов. Покрытия цинком без хроматной обработки можно применять только для сохранения электропроводности, при пайке, для деталей, подвергаемых точечной сварке и опрессовке пластмассами при ≥ 100˚С. Для повышения защитных свойств или использования цинковых покрытий в морских условиях их фосфатируют или покрывают лаками и красками. В среде, насыщенной морскими испарениями, эти покрытия быстрее корродируют, чем в чистой влажной атмосфере. Стальные детали толщиной <0,5 мм не рекомендуется цинковать, так как они становятся хрупкими [1]. В связи с тем что флотациннные машины не монолитны, а как правило состоят из отдельных частей и деталей возникает необходимость собирать эти конструкции крепёжными элементами. В свою очередь для продления службы эти элементы защищают покрытиями в нашем случае таковыми являются цинковые. 1.2 Физико-химические свойства Хром – металл стального цвета с голубоватым оттенком и в полированном состоянии обладает высокими декоративными свойствами. Атомная масса хрома 52,01, валентность 2,3 и 6. Электрохимический эквивалент шестивалентного хрома 0,324 г/А·ч и его стандартный потенциал – 0,71 В, однако на воздухе хром пассивируется, покрываясь тонкой окисной плёнкой, и его потенциал становится 0,2 В. Очень высокая микротвёрдость осаждённого хрома, доходящая до 10000 – 11000 МПа, и износостойкость, превышающая таковую по сравнению с закаленной сталью в 3 – 4 раза, обеспечил процессу хромирования самое широкое применение во всех отраслях машиностроения. Коэффициент трения у хрома ниже, чем у стали, в 2 – 3 раза. Плотность хрома 7,2 г/см3 , температура плавления 1870 ˚С, что наряду с химической стойкостью хрома и склонностью к пассивированию позволяет использовать его как жаростойкое покрытие. Хром нерастворим в азотной кислоте, слабо растворим в серной и легко растворяется в соляной кислоте, а также в растворах едкого натра при анодной обработке [2]. При обычной температуре хром химически устойчив и почти не окисляется на воздухе даже в присутствии влаги. При нагревании окисление протекает только на поверхности. Азотная кислота и царская водка на холоде на него не действуют. Своеобразная устойчивость хрома в этих кислотах объясняется тем, что они переводят его в пассивное состояние [1]. Цинк осаждённый гальваническим методом имеет светло–серый цвет с голубоватым оттенком. Его плотность равна 7,13г/см3 и температура плавления 419 ˚С. При 100 – 150 ˚С цинк легко может быть прокован и прокатан, но при повышении температуры до 200 ˚С он становится хрупким. Атомная масса цинка 65,4, валентность – 2, стандартный электродный потенциал – 0,76 В и электрохимический эквивалент равен 1,22 г/(А·ч). Так как стандартный электродный потенциал цинка электроотрицательнее железа, то слой цинка в паре железо – цинк служит анодом и, следовательно, защищает железо от коррозии не только механически, но и электрохимически. Поэтому цинкование получило широкое применение для защиты железа в условиях атмосферной коррозии, а также для изделий, соприкасающихся с пресной водой [2]. С водой цинк реагирует с выделение водорода, причём этот процесс идет параллельно с процессом кислородной деполяризацией. Коррозия цинка происходит в нейтральных растворах солей и в воде. Влажный воздух, загрязненный SO2 , способствует образованию основного сульфата цинка. В разбавленных растворах NaOH цинк анодно пассивируется, образуя пористый слой окислов толщиной до 50 Å. При атмосферной коррозии цинка образуются защитные плёнки из основного карбоната, в виде объёмистых продуктов коррозии, покрытых невысыхающей плёнкой воды. Органические соединения (уксусная, муравьиная и др.) вызывают значительную коррозию цинка (0,5г/м в сутки) [1]. 1.3 Методы нанесения Металлические покрытия наносят на изделия погружением в расплавленный металл (горячий метод), термомеханическим методом (плакирование), распылением (металлизация), диффузионным и гальваническим. В зависимости от применяемого металла, покрытия бывают катодные и анодные. Если изделие покрывается металлом, имеющим более электроположительный потенциал, чем потенциал защищаемого металла, то такое покрытие называют катодным; например, покрытие стального изделия оловом или медью. При нарушении целостности покрытия коррозия резко возрастает, так как металл изделия становится анодом по отношению к металлу покрытия. Если изделие покрывается металлом, имеющим более электроотрицательный потенциал, чем потенциал защищаемого металла, то такое покрытие называют анодным; например, покрытие стали цинком. Анодное покрытие защищает покрываемый металл при нарушении его сплошности, так как металл изделия является катодом по отношению к металлу покрытия. Таким образом, катодное покрытие должно быть сплошным и непроницаемым для агрессивной среды, тогда как к анодному покрытию по сплошности предъявляются менее высокие требования. Металлические покрытия горячим методом наносят на изделие или заготовку путем их погружения на несколько секунд в ванну с расплавленным металлом. Этим способом на изделие наносят цинк (tпл = 419 о С) и другие металлы, имеющие низкую температуру плавления. Горячим методом наносят покрытия на готовые изделия, в основном из стали и чугуна, и на полуфабрикаты из них (листы, трубы и проволоку). Толщина покрытия зависит от назначения изделия, природы металла, температуры, времени выдержки изделия в расплаве и составляет от нескольких микрометров до миллиметров. Горячий метод нанесения покрытий не обеспечивает получения равномерных по толщине покрытий, поэтому не применяется для защиты изделий с узкими отверстиями, резьбой и изделий больших размеров. При нанесении покрытий большой толщины велик расход цветных металлов. Термомеханический способ (плакирование) широко используют для защиты от коррозии основного металла или сплава другим металлом, устойчивым к воздействию внешней среды. Соединение металлов осуществляют в основном горячей прокаткой, при которой образуется прочное соединение двух металлов за счет взаимной диффузии металлов. Плакированием получают би и многослойные металлы. Для плакирования применяют металлы и сплавы, обладающие хорошей свариваемостью: углеродистые, кислотостойкие стали, дюралюмины, сплавы меди и др. В качестве защитного покрытия для плакирования широко используется алюминий, тантал, молибден, титан, никель, нержавеющие стали и др. Толщина плакирующего слоя колеблется от 3 до 60% толщины защищаемого металла. Термохимическим способом защищают от коррозии автоклавы, фасонные изделия, листы, сосуды и др. Плакированные изделия находят применение в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности. Металлизация – процесс нанесения расплавленного металла на поверхность изделия сжатым воздухом или инертным газом. Покрытие на изделии образуется в результате вклинивания и прилипания частиц металла в поры и неровности поверхности. Прочность сцепления покрытия с защищаемым изделием зависит от размера частиц, скорости их полета, деформации при ударе о поверхность. При металлизации получаемое покрытие имеет чешуйчатую структуру и высокую пористость, которую уменьшают увеличением толщины покрытия, шлифованием, полированием или дополнительным нанесение лаков и красок. Металлизацию в основном применяют для защиты от коррозии крупногабаритных изделий и сооружений, например, железнодорожных мостов, газгольдеров, свай, корабельных и морских труб, вулканизационных котлов и мелких изделий, к которым другие методы не применимы. Изделия, подвергающиеся воздействию атмосферы или находящиеся в почве, покрываются цинком толщиной от 0,05 до 4 мм. При металлизации расходуется большое количество на удар и распыление, покрытие имеет пористую структуру, неравномерную толщину, низкую адгезию к металлу. Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхности изделий при высокой температуре устойчивыми к агрессивной среде элементами: алюминием, хромом, кремнием и бором. Её проводят при совместном нагревании изделия и элемента покрытия, который может использоваться как в виде порошка с добавкой хлоридов, так и в виде паров его летучих соединений. При таком совместном нагревании выделяющийся элемент в атомном состоянии диффундирует в поверхностный слой изделия, что обеспечивает хорошее сцепление с защищаемым металлом. Образовавшийся поверхностный слой приобретает устойчивость к газовой коррозии, повышенную твердость и износостойкость. На фоне выше описанных методов особо хочется выделить самый распространенный – гальванический. Нанесение покрытия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. Покрытия получаются в процессе электролиза. Гальванические покрытия характеризуются хорошими физико-химическими и механическими свойствами: повышенной твердостью и износостойкостью, малой пористостью, высокой коррозионной стойкостью. При гальваническом методе имеется возможность точно регулировать толщину покрытия. Это особенно важно в целях экономии цветных, драгоценных и редких металлов, наконец, при электролизе водных растворов можно нанести покрытия таких металлов и сплавов, которые другими способами получить не удается [3]. 1.4 Характеристика и условия эксплуатации деталей Материал деталей (для цинкования) – сталь Ст.3 ГОСТ 19.904 – 90 холоднокатаная. Детали с незначительной окислительной пленкой и наличием смазочных масел. Шероховатость поверхности соответствует ГОСТ 278–73 равна Ra10. Детали относятся к первой группе сложности. Материал деталей (для хромирования) – сталь Ст.45. Детали с незначительной окислительной плёнкой и наличием смазочных масел. Шероховатость поверхности соответствует ГОСТ 2789–73 равна Ra2,5-3,6. Детали как с цинковым так и с хромовым покрытием эксплуатируются в умеренном климате под навесом, а именно при следующих условиях: отсутствие воздействия атмосферных осадков. Атмосфера загрязнена небольшим количеством промышленных газов. Температура воздуха от –60 до +60˚ С, относительная влажность 95 ± 3% при температуре +30˚ С [4 ]. Поэтому согласно ГОСТ 9.303 – 84 выбираем: Цинковое покрытие Ц15хр с последующим хроматированием и хромовое покрытие Хтв30 [1]. 1.5 Сравнительная характеристика электролитов Электролиты цинкования Электролитическое выделение цинка из растворов нашло широкое применение в металлургии и нанесении гальванических покрытий. Для того чтобы получить компактный осадок цинка на катоде, в электролит добавляют коллоидные добавки (клей, мыльный корень, крахмал, лакрицу и другие высокомолекулярные органические добавки), называемые выравнивающими добавками. Применение их позволяет увеличить плотность тока, уменьшить межэлектродное расстояние и, в конечном счете, снизить напряжение на ванне и повысить основной показатель процесса – выход по току [5]. Из числа кислых электролитов для цинкования наиболее простым являются сульфатные. Они дают возможность получать светлые матовые покрытия на деталях относительно простой формы, так как рассеивающая способность таких электролитов не велика. Цинковые покрытия, получаемые в сульфатных ваннах, имеют более крупнокристаллическую структуру, чем покрытия осаждённые из цианистых электролитов, что обусловлено незначительной катодной поляризацией. Кислотность электролита имеет большое значение для правильного ведения процесса цинкования: при повышенной кислотности до рН 2–3 заметно снижается выход металла по току, падает рассеивающая способность и возникает ряд других неполадок при цинковании; снижение кислотности (повышение величины рН до 5) приводит к выпадению нерастворимых гидроокисей вследствие гидролиза сульфатов цинка и алюминия, которые, включаясь в покрытие, делают его шероховатым. Применение цианистых электролитов обеспечивает получение более мелкозернистых покрытий, чем покрытия из кислых электролитов. Цианистые электролиты обладают высокой рассевающей способностью и по этому используются для покрытия деталей сложной формы. В таких электролитах избыточное количество цианидов необходимо для уменьшения диссоциации цинковой соли и увеличения катодной поляризации, что обеспечивает повышение рассеивающей способности электролита и улучшение структуры осадка. При чрезмерно большом содержании цианидов наблюдается интенсивное выделение водорода и ничтожно малая скорость осаждения цинка. Поэтому соотношение количества цианистого натрия к количеству цинка в электролите должно быть NaCN / Zn =2,0¸2,75. В заводской практике широкое применение получили так называемые аммиакатные электролиты в большей степени, чем другие приближаются к цианистым и являются более устойчивыми чем аммиакатно-сульфатный, очень слабо диссоциирует в водных растворах, поэтому процесс электролиза протекает с большой катодной поляризацией. Таким образом, аммиакатный электролит лишь немного уступает по рассеивающей способности цианистому. Большим преимуществом аммиакатных электролитов является их высокая электропроводность, что позволяет особо эффективно использовать аммиакатные электролиты для покрытия мелких деталей в барабанах, так как достигается возможность получения высоких плотностей тока при сравнительно небольшом напряжении на ванне. Аммиакатные электролиты содержат большое количество ионов хлора, что следует учитывать в производственной практике, обращая особое внимание на качество промывки деталей после цинкования. При плохой промывке даже самые незначительные остатки электролита на поверхности детали могут служить причиной ускоренной коррозии цинка в условиях эксплуатации. Несколько меньшее распространение в промышленности получили цинкатные и пирофосфатные электролиты. Они требуют для нормальной их эксплуатации подогрева до температуры 50˚ С, что усложняет конструкцию ванн и удорожает их эксплуатацию. Для обеспечения стабильной работы этого электролита и получения светлых осадков цинка без губчатых и дендритных отложений в электролит вводятся в небольших количествах соединения олова, ртути или свинца. Рассеивающая способность цинкатных электролитов занимает промежуточное значение между цианистыми и кислыми, уступая в этом аммиакатному электролиту. Катодная поляризация в цинкатных электролитах незначительна и хорошая рассеивающая способность обусловлена исключительно высокой электропроводностью [4]. Электролиты хромирования Большое количество электролитов, предложенных для хромирования, в качестве основного компонента имеют в своём составе хромовый ангидрид и отличаются лишь различными добавками. В промышленности наиболее широкое применение получили три электролита: стандартный, саморегулирующийся и тетрохроматный. Стандартный электролит отличается простотой состава и удобен при эксплуатации. Он допускает большие колебания состава и режима. При корректировании такого электролита следует поддерживать постоянство соотношения компонентов равным 100:1, так как этим обеспечиваются оптимальные условия осаждения хрома. Что же касается выбора режима осаждения, то в каждом конкретном случае он определяется условиями производства. Электролит после приготовления требует проработки током не менее 4–6 ч на случайных катодах. При наличии целого ряда ценных свойств, стандартный электролит обладает и некоторыми недостатками. Так, он чувствителен к колебаниям температуры, допуская отклонения от рабочего интервала температур лишь в пределах ± 2 ˚С в течение всего времени процесса хромирования, длящегося обычно несколько часов. Если отклонение от заданной температуры превысит норму во время осаждения, то возникнут внутренние напряжения в хромовом покрытии, которые могут привести к его отслаиванию. Аналогичное действие оказывают и колебания плотности тока. Катодный выход по току весьма низок 12 – 13%. Саморегулирующийся электролит не имеет недостатков стандартного. Характерной особенностью этого электролита является прежде всего постоянная концентрация аниона ,составляющая 2,5 г/л. Это явление объясняется тем, сернокислый стронций и кремнефтористый калий имеют весьма ограниченную растворимость в воде и в рабочем диапазоне температур поддерживают в растворе заданную концентрацию аниона . Несмотря на свои высокие достоинства, саморегулирующиеся электролиты не получили широкого применения, так как имеют весьма существенные недостатки, основным из которых является наличие агрессивного аниона F– в составе электролита. Это обстоятельство приводит к быстрому разрушению свинцовой футеровки хромовых ванн. В результате, взамен рольного свинца футеровку ванн необходимо производить керамикой, винипластом, пентапластом и прочими материалами. По этой же причине непригодны и свинцовые аноды. Взамен их приходится применять аноды из свинцово-оловянного сплава. Кроме того, происходит растравливание участков деталей, не подлежащих покрытию. Особенно это относится к деталям из цветных металлов и сплавов. Из электролитов, не требующих подогрева, некоторое промышленное применение получил тетрохроматный электролит. Электролит отличается повышенной рассеивающей и кроющей способностями, но хромовые покрытия имеют серый, матовый вид и в 2-3 раза меньшую твёрдость, чем осадки из стандартного электролита. Поэтому хромовые покрытия из тетрахроматного электролита применяют лишь в качестве защитного покрытия с использованием меди, никеля или цинка в качестве подслоя. Низкая износостойкость и внутренние напряжения в толстых слоях не позволяют использовать серый хром для восстановления размеров изношенных деталей. Электролит менее агрессивен, чем стандартный, и в нем можно непосредственно хромировать детали из латуни, цинковых сплавов и других химически нестойких металлов. В связи с тем, что плотности тока при хромировании весьма велики, электролит может перегреваться выше допустимых температур (23-24˚ С). Чтобы этого не произошло, конструкция ванны хромирования должна предусматривать интенсивное охлаждение электролита путём непрерывной подачи воды в водяную рубашку ванны [2]. Для осаждения твёрдых износостойких покрытий значительной толщины существует сверхсульфатный электролит хромирования. Режим осаждения аналогичен стандартным сульфатным электролитам. Выход по току достигает 20-25%. Осадки – блестящие, характеризуются низкими внутренними напряжениями и имеют микротвёрдость до 15,7·105 Н/м2 [6]. 1.6 Выбор режима и особенности процессов Процесс цинкования Цинк на катоде обычно осаждается с водородом при этом протекает следующий процесс: Zn(OH)4 2– + 2e ® Zn + 4 OH– . Побочным процессом на катоде является разряд ионов водорода: 2 H2 О + 2e ® H2 ­ + 2 OH– . Аммиакатно-уротропиновый электролит: Состав, г/л; окись цинка ………………………………50-60 хлористый аммоний ……………………250-260 аммиак 25-процентный…………………100мл/л уротропин…………………………………..60 клей столярный (экстра)…………………..3-4 Режим осаждения ; температура, ºС…………………………..15-30 катодная плотность тока, А/дм2 ……….....1-3 выход по току……………………………96-99%. величина рН……………………………..8,2 – 8,3 Следует отметить, что электролиты на основе хлористого аммония содержат агрессивный ион хлора. Поэтому промывка деталей в воде после цинкования должна быть тщательной, особенно для деталей со сложным профилем, глухими отверстиями и щелевыми зазорами. Пренебрежительное отношение к операции промывки может привести к ускорению коррозии [2]. По пластичности осадки из щелочных электролитов к которым и относится аммиакатный уступают полученным из кислых. Процесс хромирования В процессе катодного восстановления хрома происходит несколько электрохимических реакций. Конечными продуктами электролиза хромовой кислоты являются соединение трёхвалентного хрома, водород и металлический хром. Таким образом на катоде одновременно проходят реакции; Сr6+ + 3е ® Сr3+ , 2H+ + 2e ® H2 ; Сr3+ + 3е ® Сr, Сr6+ + 6е ® Сr. На свинцовом аноде протекают два процесса; Н2 О – 2е ® 0,5 О2 + 2Н+ ; Сr3+ – 3е ® Сr6+ Катодные пленки, образующиеся при осаждении блестящих хромовых покрытий, имеют компактную структуру и покрывают всю поверхность катода сплошным слоем. При этом потенциал разряда Н+ на хромовом электроде при средних и высоких iк должен быть менее –0,75 В. Быстрое накопление газообразного водорода на микровыступах способствует микровыравниванию и возникновению блеска осадков. Хромоцинковый электролит: Состав, г/л; хромовый ангидрид……………………140-160 серная кислота…………………………… 4-5 цинк (металлический)…………………..5,5-6,5 Режим осаждения ; температура, ºС…………………………..40-50 катодная плотность тока, А/дм2 ………...50-70 выход по току……………………………20-25%. Температура электролиза оказывает решающее влияние на выход по току и свойства получаемых покрытий. Плотность тока незначительно влияет на эти показатели процесса. В покрытии содержится 0,1-0,2 % Zn. Особенностью процесса является чрезвычайно низкий катодный выход по току. В основном электрический ток, проходящий через электролит, расходуется на побочные процессы, главным образом на разложение воды на водород и кислород. При этом водород, выделяясь совместно с хромом на катоде, проникает в покрытие и создаёт так называемую “водородную хрупкость” – явление, с которым приходится бороться путём последующего прогревания деталей до 200 – 300 ˚С. На анодах происходит выделение кислорода. Оба газа способствуют образованию большого количества ядовитого тумана, так как увлекают с собой мельчайшие пузырьки хромового электролита, унося в бортовые отсосы не менее половины всего расходуемого хромового ангидрида. В качестве эффективной меры борьбы с уносом электролита используем на поверхности зеркала электролита сплошной слой поплавков из полиэтилена или другого химически стойкого вещества. Пузырьки газов лопаются на поверхности поплавков, что существенно снижает унос электролита. Кроме того, применение поплавков снижает расход энергии на подогрев электролита, предохраняя зеркало испарения от остывания. Выделение тепла во время электролиза также помогает поддержанию рабочей температуры. Однако если сила тока чрезмерно велика по отношению к емкости ванны, то происходит слишком большое выделение тепла и электролит перегревается. В этом случае его необходимо охлаждать подачей холодной воды в пароводяную рубашку ванны. Следующей особенностью процесса является применение высоких катодных плотностей тока, доходящих в отдельных случаях до 80 – 100 А/дм2 . Поэтому даже при сравнительно небольшой площади покрываемых деталей общая сила тока на ванну может доходить до нескольких тысяч ампер, при напряжении на клеммах ванн 12 – 18 В. Ещё одной особенностью процесса является весьма низкая рассеивающая способность электролита. Вследствие этого хромирование профилированных деталей следует производить с применением фигурных анодов, повторяющих профиль покрываемых деталей и создающих более равномерное распределение тока на поверхности детали. Также особенностью процесса является возможность получения хромовых покрытий с различными свойствами из одного и того же стандартного электролита за счет изменения температуры электролита. Так, при низких температурах, порядка до 30 ˚С, осаждаются серые хромовые покрытия с низкой твёрдостью. В интервале температур 30 – 40 ˚С хромовые осадки светлеют, становятся серебристо – матовыми и повышают свою твёрдость. При 45 – 60 ˚С хромовые покрытия приобретают зеркальный блеск и наивысшую твёрдость. Они имеют весьма слабо выраженную сетку трещин, которую можно увеличить специальными приёмами, что используется в промышленности для пористого хрома. И, наконец, при 65 – 80 ˚С происходит осаждение так называемого молочного хрома, эластичного и беспористого покрытия с более низкой твёрдостью, чем зеркальный хром. Не маловажной особенностью процесса является подготовка деталей к осаждению хрома в самой ванне хромирования. Для получения высокой прочности сцепления следует сначала выдержать детали в ванне без тока, чтобы их поверхность имела температуру электролита, при которой будет происходить хромирование. Затем производят включение тока так, чтобы поверхность деталей сначала подверглась анодной обработке в течении 15-30 с, а затем производят хромирование, переключая детали на катод. При этом в начальные моменты осаждения следует дать так называемый “толчок” тока на 0,5 – 1 мин, т.е. повысить плотность тока в 1,2 – 2 раза по сравнению с рабочей, а затем плавно снизить ее до расчётной величины. Наконец, последней особенностью процесса является применение нерастворимых свинцовых анодов. При покрытии наружных поверхностей хромом отношение площади анодов к площади покрываемых деталей следует придерживать равным 2:1 [2]. По мере работы хромовой ванны в электролите могут накапливаться железо, медь и некоторые другие металлы. Железо по мере накопления в электролите (главным образом вследствие анодного декапирования стальных и чугунных деталей), подобно трехвалентному хрому, суживает интервал получения блестящих осадков. Допустимое содержание железа в электролите 8-10 г/л. На практике иногда содержание железа в электролите достигает 20-250 г/л, но при этом сильно снижается выход хрома по току. Удалить из хромового электролита чрезвычайно сложно. Поэтому электролит с большим содержанием железа обычно заменяют новым. В настоящее время имеются указания на возможность осаждения железа желтой кровяной солью. Предполагается, что реакция между желтой кровяной солью и железом, находящимся в хромовом электролите в виде окисной сернокислой соли, протекает по следующему уравнению: 3K4 Fe (CN)6 + 2Fe2 (SO4 )3 = Fe4 [Fe (CN)6 ]3 + 6K2 SO4 Безусловно вредное действие на процесс хромирования оказывает азотная кислота. Даже при малых количествах HNO3 в электролите, около 0,1-0,2 г/л, осадки хрома получаются темные. Поэтому примесь азотной кислоты в электролите не допускается. 1.7 Технологические схемы нанесения покрытия Таблица 1 Схема технологического процесса цинкования Наименование операции Состав растворов, г/л Режим обработки Дополнительные параметры 1. Электрохимическое обезжиривание на катоде и аноде Тринатрийфосфат 20 – 40 Сода кальцинированная техническая 20 – 40 IК 1,6-1,8А/дм2 t 5-8 мин. IА 1,6-1,8А/дм2 t 3-6 мин. t 70-80ºС Напряжение постоянного тока 3-6 В 2. Промывка в теплой воде t 45-50о С t 1-1,5 мин. 3. Промывка в холодной воде t цеховая t 1 мин. 4. Травление Кислота соляная, техническая синтетическая 150 – 350 Уротропин технический 40 – 50 t цеховая t 4–9 мин. 5. Промывка в холодной воде t цеховая t 13 мин. Двухкаскадная ванна продолжение таблицы 1 6. Цинкование Окись цинка 50-60 Хлористый аммоний 250-260 Аммиак 25-процентный 100мл/л Уротропин 60 Клей столярный (экстра) 3 – 4 Величина рН 8,2 – 8,3 IК 1–3 А/дм2 t 40–60 мин. t 15–30ºС Напряжение постоянного тока 3–6 В 7. Промывка-улавливание t цеховая t 1–1,5 мин. 8. Промывка в холодной воде t цеховая t 1–1,5 мин. Двухкаскадная ванна 9. Пассивирование Хромовый ангидрид 4–10 Натрий или калий технический двухромовокислый 25–35 Кислота азотная 3–7 Натрий сернокислый технический 10–15 t цеховая t 0,5–1 мин. 10. Промывка в холодной воде t цеховая t 1 мин. Двухкаскадная ванна 11. Промывка в теплой воде t 45–50о С t 1–1,5 мин. 12. Сушка t не более 60 t опред. расчетами 1. Электрохимическое обезжиривание Электрохимическое обезжиривание поверхности деталей применяют главным образом для удаления незначительных жировых загрязнений, оставшихся после других видов обезжиривания, следов от захвата руками деталей при монтаже на подвески или другие приспособления и т. д. Электрохимическое обезжиривание производят особо тщательно, так как даже самые незначительные загрязнения и тончайшие жировые пленки, оставшиеся на поверхности деталей, могут быть причиной дефектных покрытий. Электрохимическое обезжиривание стальных деталей осуществляют последовательным переключением полярности (катод-анод), причем анодную обработку ведут кратковременно. В процессе электрохимического обезжиривания жиры эмульгируются выделяющимися пузырьками водорода (при катодном обезжиривании) или кислородом (при анодном обезжиривании) на поверхности обезжириваемых деталей. При этом они в течение первых же секунд разрывают и удаляют пленку жировых загрязнений, а роль щелочного раствора является вспомогательной и заключается в обволакивании частиц масел с образованием эмульсии, а также в омылении органических и животных жиров. 2. Промывка в теплой воде Промывка деталей является важной операцией в технологическом процессе гальванического производства. Недостаточная промывка может привести к браку покрытий, а также вывести из строя ряд последующих ванн. Нельзя допускать скопление загрязнений в ваннах промывки. Эффективность промывки во многом зависит от качества воды. Если в ней содержится значительное количество солей жесткости, то на поверхности деталей может образоваться пленка труднорастворимых карбонатов. При взаимодействии ионов солей кальция и магния с мылами образуется труднорастворимая пленка. По этим причинам воду следует очищать и умягчать. Температура воды в ванне до 50о С. Промывка предназначена для наилучшего удаления с поверхности обрабатываемых деталей загрязнений и остатков растворов после обезжиривания. 3. Промывка в холодной воде Промывка предназначена для наилучшего удаления с поверхности обрабатываемой детали загрязнений и остатков растворов после операций нанесения покрытий, обезжиривания, травления и т. д. 4. Травление При изготовлении, транспортировке и хранении металлические изделия и полуфабрикаты подвергаются воздействию окружающей среды – их поверхность покрывается окалиной, ржавчиной, оксидами и другими продуктами коррозии. Для травления стальных деталей применяется смесь соляной и серной кислоты, а также ингибитор коррозии, который не только способствует экономии металла и кислоты, но и значительно удешевляет весь цикл подготовки поверхности металлов к нанесению покрытий. Соляная кислота удаляет оксиды с поверхности металла преимущественно вследствие их растворения. В серной кислоте удаление оксидов происходит главным образом из-за подтравливния самого металла и механического удаления разрыхленного слоя оксидов выделяющимся водородом. Травление меди производят последовательно: вначале в нитрате натрия в течении 30 секунд, а затем в концентрированной серной кислоте. Присутствие нитрата натрия интенсифицирует процесс травления. 5. То же, что и п.3 6. Цинкование 7. Промывка-улавливание Эта операция служит для сбора остатков электролитов, уносимых обрабатываемыми изделиями и технологическими спутниками, и устанавливаются после ванн покрытий. Применение ванн улавливания позволяет сократить расход дорогостоящих электролитов и рационально использовать мощности обезвреживающих устройств и очистных сооружений. 8. То же, что и п.3 9. Пассивирование Пассивирование цинковых покрытий является кратковременной, но весьма эффективной операцией повышения химической стойкости цинковых покрытий и придания им декоративной внешности. Для этой цели оцинкованные детали после промывки в холодной воде погружают в раствор, содержащий азотную кислоту, сульфат натрия и хромовый ангидрид. Так как в состав введена азотная кислота, операция осветление совмещается с хроматным пассивированием. В результате на поверхности покрытия образуются цветные пленки радужных оттенков, состоящие из трудно растворимых гидроксохроматов хрома и цинка. После пассивирования рекомендуется промывка в холодной воде. 10. То же, что и п.3 11. То же, что и п.2 12. Сушка Сушильные агрегаты предназначены для сушки деталей горячим воздухом и состоят из корпуса с теплоизолированными стенками, парового или электрического калорифера, вентилятора и заслонки для регулирования подачи и отсоса воздуха. Таблица 2 Схема технологического процесса хромирования Наименование операции Состав растворов, г/л Режим обработки Дополнительные параметры 1. Электрохимическое обезжиривание на аноде Тринатрийфосфат 20 – 40 Сода кальцинированная техническая 20 – 40 IА 1,6-1,8А/дм2 t 3–6 мин. t 70–80ºС Напряжение постоянного тока 3–6 В 2. Промывка в теплой воде t 45–50о С t 1–1,5 мин. 3. Промывка в холодной воде t цеховая t 1 мин. Двухкаскадная ванна 4. Травление Кислота соляная, техническая синтетическая 150 – 350 Уротропин технический 40 – 50 t цеховая t 4–9 мин. 5. Промывка в холодной воде t цеховая t 1 мин. Двухкаскадная ванна 6. Активирование Хромовый ангидрид 140–160 Кислота серная 4–5 Цинк (металлический) 5,5-6,5 Iк 25–40 А/дм2 t 40–50о С t 40 – 60 сек Проводится в ванне хромирования 7. Хромирование Хромовый ангидрид 140–160 Кислота серная 4–5 Цинк (металлический) 5,5-6,5 Iк 50–70 А/дм2 t 40–50о С t 30 – 40 мин. Напряжение постоянного тока 12–18 В 8. Промывка-улавливание t 50–55о С t 1–1,5 мин. 9. Промывка в холодной воде t цеховая t 1 мин. Двухкаскадная ванна 10. Промывка в теплой воде t 45–50о С t 1–1,5 мин. 11. Сушка t 40–50 t опред. расчетами 1. Электрохимическое обезжиривание При обезжиривании стальных закаленных деталей, особенно небольшого сечения работающих при больших удельных и знакопеременных нагрузках, не допускается обезжиривать на катоде, в этом случае применяется анодное обезжиривание. 2. То же, что и пункт 2 при цинковании. 3. То же, что и пункт 3 при цинковании. 4. То же, что и пункт 4 при цинковании. 5. То же, что и пункт 3. 6. Эта операция служит для снятия оксидной плёнки на поверхности покрываемых деталей, способной адсорбировать анионы хромовой кислоты в момент погружения в хромовый электролит. Тем самым она препятствует образованию качественных осадков хрома. 7. Хромирование. 8. То же, что и пункт 7 при цинковании. 9. То же, что и пункт 3. 10. То же, что и пункт 4. 11. То же, что и пункт 12 при цинковании. 1.8 Контроль качества покрытий Качество покрытия во многом определяется качеством металла основы, поэтому контролю подвергают и покрытие, и основной металл. При контроле основного металла перед покрытием определяют шероховатость поверхности, а также устанавливают, имеются ли на ней дефекты – закатанная окалина, раковины, разного рода включения, заусенцы, вмятины и риски, расслоения и трещины. При нанесении покрытий в автоматических линиях контроль осуществляется один раз в смену по следующим параметрам: - Внешний вид покрытия; - Толщина покрытия; - Контроль сцепления покрытий с основой; - Пористость покрытия; - Твёрдость покрытия. Методы контроля должны быть неразрушающие изделие и покрытие. Такие методы используют в производстве, где необходим 100 % контроль покрытий большого количества однотипных изделий, а также в случае изделий малых форм, сложного профиля конфигурации, высокой стоимости. Из неразрушающих методов контроля наибольшее распространение получили магнитные, электромагнитные, радиационные, оптические и гравиметрические. В проекте предусмотрено; - для автоматической линии цинкования: использование визуального контроля, магнитного метода определения толщины и метода нанесения сетки царапин для определения прочности сцепления. - для автоматической линии хромирования: использование визуального контроля, магнитного метода определения толщины, измерения твёрдости и пористости покрытия. Цвет цинкового радужного покрытия от желтовато-зеленого до золотисто-желтого с радужными оттенками. На поверхности, в пазах и изгибах цинкового хроматированного покрытия допускается матовость и ослабление интенсивности цвета хроматной пленки. Цвет хромового покрытия серебристо-серый, серебристый с голубоватым оттенком [7]. Отрывной магнитный метод основан на измерении силы отрыва магнита от поверхности испытуемой детали. Приборы, основанные на магнитном методе измерения толщины покрытий, разделяются на приборы с постоянными магнитами, сила отрыва от детали (или притяжения) которых измеряется при помощи пружинных динамометров; приборы с электромагнитами, сила отрыва от детали которых измеряется по изменению тока намагничивания. При использовании магнитного метода обязательным условием является наличие ферромагнитных свойств у покрываемых деталей. Метод нанесения сетки царапин. На поверхность контролируемого покрытия стальным остриём наносят 4–6 параллельных линий, глубиной до основного металла, на расстоянии 2,0­­­­–3,0 мм друг от друга и 4–6 параллельных линий, перпендикулярных к ним. Линии следует проводить в одном направлении. На контролируемой поверхности покрытия не должно наблюдаться отслаивания. Наиболее точным и удобным методом измерения твердости электролитических покрытий является метод статического вдавливания алмазной пирамидки под малыми нагрузками (от 2 до 200 г) или так называемый метод измерения микротвёрдости. Измерение микротвёрдости производится с помощью специального прибора–микротвёрдомера ПМТ-2 или ПМТ-3 конструкции М. М. Хрущова и Е. С. Берковича. При испытании на микротвёрдость должны соблюдаться следующие условия: - плавное возрастание нагрузки до заданного значения; - постоянство приложенной нагрузки в течение установленного времени; - допускаемая относительная погрешность нагрузки не должна превышать ± 0,1 г для нагрузок менее 10 г. Пористость хромовых покрытий осуществляется весовым методом маслоёмкости. Суть метода заключается в определении массы впитавшегося масла (цилиндровое масло № 2 или авиационное марки МС), отнесённый к 1 дм2 хромового покрытия. С этой целью взвешенный образец пропитывают маслом в течение 1–1,5 ч при температуре 80˚С, затем тампоном снимают масляную плёнку и вновь взвешивают [8]. 1.9 Описание работы автоматических линий Автоматические линии состоят из ванн, располагаемых в один ряд. Между ваннами установлены бортовые отсосы и козырьки. Вдоль ванн по направляющим перемещаются автооператоры, переносящие детали из одной ванны в другую. Каждый автооператор обслуживает не более 7–8 ванн. Для получения оптимальной производительности автоматических линий устанавливают несколько автооператоров. Автооператоры работают по заданной программе, перемещая детали в соответствии с технологическим процессом. Различают рабочие и холостые хода автооператоров, а также вынужденные простои. При одном автооператоре схема движения носит “челночный” характер. При наличии большего количества автооператоров различают более сложные кинематические связи их движения: челночно-эстафетную, при которой каждый автооператор обслуживает свою определённую зону и челночно-спаренную, при которой зона действия автооператоров не разграничена и они перекрывают друг друга. Передача подвесок производится несколько раз за цикл, и взаимосвязь между автооператорами носит спаренный характер. Автооператоры тельферного типа крепятся на монорельсе, закреплённом над автоматической линией и имеют два привода горизонтального и вертикального перемещения. Такие приводы состоят из червячного редуктора, электродвигателя и дискового тормоза, управляемого электромагнитом. Как правило на автооператорах установлены грузозахватные приспособления. Они служат для центрирования и удержания груза, переносимого автооператором. Различают грузозахваты простые и с контактным устройством для подачи трёхфазного переменного тока электродвигателю барабанного электролизёра. Такие электролизёры предназначены для нанесения электрохимических покрытий на мелкие детали, обрабатываемые в насыпном виде. Барабанный электролизер состоит из сварной рамы с цапфами для укладки в ловители ванн и захватов, взаимодействующих с грузозахватами автооператора. К раме крепятся: несущие щеки (неметаллические или металлические с антикоррозионной изоляцией) с фторопластовыми подшипниками, в которых устанавливается вращающаяся шестигранная перфорированная обечайка с крышкой; привод электролизера; катодный токоподвод для передачи технологического тока обрабатываемым изделиям; автомат для защиты электродвигателя; контактное устройство для передачи переменного трехфазного тока напряжением 36 В электродвигателю барабанного электролизера; защитный кожух. Постоянный ток подводится к катодным токоподводам через пластины и втулки на цапфах электролизера, контактирующих с обкладками опор-ловителей ванн, соединенных с источником постоянного тока. Управление перемещением автооператоров производится при помощи путевых переключателей автоматически по заданной программе командоаппаратами. Командоаппарат, управляющий движениями автооператоров, работой сушилок, включением и отключением тока и выдержкой заданий времени, состоит из селекторного программного блока и силового блока, а так же реле времени. Назначение селекторного блока – подключать на программном блоке соответствующую часть программы. Команды программного блока поступают на силовые блоки, усиливаются и передаются далее на автооператор. Загрузка деталей на подвески и разгрузка их с подвесок осуществляется вручную на подготовительной стойке, расположенной на одном конце линии. Загрузка деталей в барабан осуществляется вручную на подготовительной стойке, а разгрузка – автоматическая в сушильной камере. Выгрузка деталей из сушильной камеры с помощью пневматики. Сушка деталей производится в сушильной камере горячим воздухом, подаваемым вентилятором через паровой калорифер. Циркуляция воздуха в сушильной камере замкнутая с удалением части влажного воздуха через шиберное устройство в систему вытяжной вентиляции. Исходя из назначения различают следующие типы сушильных камер: для сушки изделий на подвесках, для сушки изделий насыпью, комбинированные. Камеры для сушки изделий насыпью выпускают двух модификаций: с поворотным лотком и поворотным барабаном. Все сушильные камеры имеют теплоизоляцию, вентиляционные отсосы для частичного удаления отработанного воздуха в атмосферу [6]. 2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Расчет фондов рабочего времени Проектом предусмотрена семидневная рабочая неделя в три смены по 8 часов. Различают (То ) номинальный и (Т) действительный фонд времени оборудования. (час) где Тгод –годовой фонд времени, дни; Тсм –продолжительность 1 смены, час; количество смен в сутки. час Для автоматизированного оборудования размер потерь времени на ремонт оборудования принимаю 10% от годового фонда времени [9, c. 89]. Действительный фонд времени (час) (час) Таблица 3 Фонды времени работы оборудования Наименование показателей Дни Часы Календарное время Номинальный фонд времени (То ) Остановки по техническим причинам Действительный фонд времени (Т) 365 365 36 329 8760 8760 864 7896 2.2 Установление производственной программы Для обеспечения выполнения годовой производственной программы предусматриваем 3 линии цинкования АЛГ-128 и 2 линии хромирования АЛГ-76М. Далее расчет ведём по 1 линии цинкования и 1 линии хромирования. При неизбежном проценте брака равному 1%, производственная программа отделения будет определяться: (м2 ), где Рзад – годовая заданная программа, м2 ; а – брак продукции, допускающий переделку, % Для цинковых покрытий: м2 Для хромовых покрытий: м2 Часовая программа отделения Рч определяется отношением годовой производственной программы (с учетом брака) к действительному фонду времени: (м2 /ч), где Рч – часовая программа, м2 /ч; Т – действительный годовой фонд времени, ч. Для цинковых покрытий: (м2 /ч) Для хромовых покрытий: (м2 /ч) Таблица 4 Загрузочная ведомость хромовых покрытий на подвесках (на 1 линию) № п/п Наименование детали Характеристика детали Габариты подвески, мм Количество деталей на подвеске, шт Поверхность едино- временной загрузки, м2 Годовая производственная программа с учётом брака Материал детали (марка) Габариты, мм Масса, кг Покрываемая поверхность, м2 Штук за- грузочных единиц м2 1 Шток СТ- 45 d 40´500 2,44 0,062 1300´100´800 13 0,806 50125 40400 Таблица 5 Загрузочная ведомость цинковых покрытий в барабанах (на 1 линию) № п/п Наименование детали Характеристика детали Единовременая загрузка ванны Годовая производственная программа с учётом брака Материал детали (марка) Габариты, мм Масса, кг Покрываемая поверхность, м2 м2 кг Штук за- грузочных единиц кг м2 1 Болт СТ-3 М12 0,070 0,0036 3,64 60 41621 2497260 151500 2 Гайка СТ-3 М12 0,030 0,0017 3 Шуруп СТ-3 А5·40 0,004 0,0010 2.3 Определение продолжительности электролитического осаждения металла Определение времени обработки одной операции с учётом времени на загрузку и выгрузку в минутах: (мин), где τ1 – продолжительность технологического процесса, мин; τ2 – время, затрачиваемое на загрузку и выгрузку деталей, принимается от 1 до 10 мин. [9, с. 91]. (мин), где d – толщина покрытия, м; γ – плотность осаждаемого металла, кг/м3 ; ik – катодная плотность тока, А/м2 ; g – электрохимический эквивалент, кг/А·ч; Вт – выход по току, доли единицы; 60 – коэффициент перевода часов в минуты. Расчёт продолжительности процесса электролитического нанесения покрытий в насыпном виде проводим по средней плотности тока. Продолжительность процесса в барабанах будет увеличена по сравнению с расчётной на 20-40% для твёрдых и на 40-60% для мягких металлов в следствие истирания покрытия в процессе вращения [4, c. 91]. Для цинковых покрытий: (мин), Для цинковых покрытий с учётом пересыпания: (мин), Для цинковых покрытий: (мин), Для хромовых покрытий: (мин), Для хромовых покрытий: (мин). 2.4 Определение количества и производительности основных ванн (шт), [9, c. 90] где Ргод,шт - количество загрузок, год штук; Т – действительный фонд времени, час; 60 – коэффициент пересчета из минут в часы; К – коэффициент, учитывающий время на подготовительно-заключительные операции при трехсменной работе принимаю 1,03; τ – время электролитического осаждения металла с учетом загрузки и выгрузки деталей, мин. Для цинковых покрытий: (шт) принимаю 5 ванн, Для хромовых покрытий: (шт) принимаю 4 ванны. Годовая производительность линии составляет: (м2 /год), [10, c. 547] где Р΄год – годовая расчётная производительность, м2 ; ƒ – единовременная загрузка ванны, м2 ; N – число устанавливаемых основных ванн. Для цинковых покрытий: (м2 /год) Для хромовых покрытий: (м2 /год) Коэффициент загрузки по площади: Для цинковых покрытий: Для хромовых покрытий: 2.5 Расчёт автоматической линии Расчет ритма выдачи загрузочных приспособлений рассчитывается по формуле: (сек), [11, с. 13] где Ргод,шт -количество загрузочных приспособлений на годовую программу, шт; Кзагр -коэффициент загрузки оборудования Для цинковых покрытий: (сек) Для хромовых покрытий: (сек) Рассчитываем оптимальное количество основных ванн: [11, с. 14] где -общее время, сек; - время на завершение операции, сек; -ритм загрузочных приспособлений; -высота подъема (подвески) барабана, м (принимаю 1 м); -скорость вертикального подъема автооператора (принимаю 0,16 м/с); -выстой, автооператора для стекания раствора, (принимаю 5сек) [11, с.15]. Для цинковых покрытий: (сек) Для хромовых покрытий: (сек) Для цинковых покрытий: (сек) Для хромовых покрытий: (сек) Для цинковых покрытий: (ванн) Для хромовых покрытий: (ванн) Количество вспомогательных ванн определим по формуле: [11, с. 14] где N – количества основных ванн; τвсп – время пребывания деталей в каждой вспомогательной ванне, сек; τц – длительность цикла работы автоматической линии, сек; τц = (1,1 ÷ 1,2) · τ1 [11, с. 14] Для цинковых покрытий: τц = 1,1 · 45 · 60 = 2970 (сек.) Для хромовых покрытий: τц = 1,1 · 29 · 60 = 1914 (сек.) Для цинковых покрытий: Nэл.хим.обезжир. = → принимаем одну ванну; Nхроматирование. = → принимаем одну ванну; Nтравлен. = → принимаем одну ванну; Nулавливан = → принимаем одну ванну; N промывки. = → принимаем одну ванну. Общее количество промывочных ванн на линию N = 6 штук (2 ванны теплой промывки, 1 ванны холодной промывки и 3 ванны двухкаскадной промывки в холодной воде). Всего ванн в линии цинкования – 15. Для хромовых покрытий: Nэл.хим.обезжир. = → принимаем одну ванну; Nтравлен. = → принимаем одну ванну; Nулавливан = → принимаем одну ванну; N промывки. = → принимаем одну ванну Общее количество промывочных ванн на линию N = 5 штук (2 ванны теплой промывки и 3 ванны двухкаскадной промывки в холодной воде). Всего ванн в линии хромирования – 12. 2.6 Расчет габаритов барабанов и размеров ванн линии цинкования С целью уменьшения потерь электрической энергии, обрастания подходящих контактных шайб, шестигранные барабаны погружаются на 1/3 – 2/5 диаметра описанной окружности. Согласно автоматической линии АЛГ – 128 принимаем: Диаметр описанной окружности барабана D = 340 мм. Длина барабана l б = 970 мм. Внутренняя длина барабана: l = (3 ÷ 5) · R, [12, с. 33] где R – радиус описанной окружности барабана, мм l = 5 · 170 = 850 мм Объем, занимаемый деталями в барабане и определяемый их конфигурацией, определяется по формуле: , [12, с. 33] где V’ – объем металла покрываемых деталей, м3 ; ту – масса одной загрузки, кг; ρ – плотность металла деталей, кг/м3 . (м3 ) (м3 ) Найдем длину ванны для барабана: l в = l б + 2 l З [10, с. 556 ] где l б – длина барабана, мм; l З – расстояние между барабаном и торцевыми стенками ванны, мм. l в = 970 + 2 · 125 = 1220 мм = 1,22 (м) Определяю ширину ванны: Wв = Dнар + 2W2 + 2W3 + 2δа [10, с. 556] где W2 – расстояние между анодами и ближайшим краем барабана, мм; W3 – расстояние между продольной стенкой ванны и анодом, мм; δа – толщина анода, принимаю 10 мм; R – радиус описанной окружности барабана, мм; а – толщина стенок и угольников барабана, принимаем условно 15 мм; Dнар – наружный диаметр барабана, мм. Dнар = 2 · R + 2 · а, Dнар = 2 · 170 + 2 · 15 = 370 (мм) Wв = 370 + 2 · 150 + 2 · 50 + 2 · 10 = 790 мм = 0,79 (м) Найдем высоту ванны: h в = h э + h б = h 1 + h 2 + h б [10, с. 556 ] l б h б h э Рис.1. Схема установки и загрузки барабана. где h э – высота уровня электролита, мм; h 1 – глубина погружения барабана в электролит; h 2 – расстояние от дна ванны до нижнего края барабана, мм; h б – расстояние от зеркала электролита до верхнего края бортов ванны; Dвн – внутренний диаметр барабана, равный: (мм) (мм) По полученным данным принимаем внутренние габариты ванны цинкования по ГОСТу 23738 – 79 «Ванны автооператорных линий для химической и электрохимической обработки поверхности и получения покрытий. Основные параметры и размеры» [5, с. 41]: Таблица 6 Основные параметры и размеры Назначение ванн Длинна Ширина Высота Объём Количество мм. мм. мм. м3 . шт. Ванна промывки 1600 630 630 0,484 3 Ванна каскадной промывки 1600 1250 630 0,960 3 Ванна химической обработки 1600 630 630 0,484 3 Ванна электрохимической обработки 1600 800 630 0,614 6 2.7 Расчет размеров ванн линии хромирования Внутренние размеры ванн зависят главным образом от принятого количества и размеров деталей или подвесок, загружаемых в данную ванну. Внутренняя длинна ванны составляет: , [10, c. 551] где l1 – размер деталей или подвески по длине ванны; l2 – расстояние между деталями или подвесками в ванне; l3 – расстояние между торцевой стенкой ванны и краем детали или подвески; n1 – количество деталей или подвесок, устанавливаемых в один ряд (или на одну штангу) по длине ванны. (мм) Внутренняя ширина ванны равна: , [10, с. 551] где ω1 – размер деталей (или подвески) по ширине ванны; ω2 – расстояние между анодом и ближайшим краем детали; ω3 – расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом; n2 – количество катодных штанг; n3 – количество анодных штанг; D – толщина анода, мм. (штанги) (мм) Внутренняя высота ванны без бортовой вентиляции равна: , [10, с. 552] где hэ – высота уровня электролита; h1 – высота подвески без подвесного крюка; h2 – расстояние от дна ванны до нижнего края деталей или подвески; h3 – высота электролита над верхним краем детали (20-50мм); hб – расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны; По полученным данным принимаем внутренние габариты ванны хромирования по ГОСТу 23738 – 79 «Ванны автооператорных линий для химической и электрохимической обработки поверхности и получения покрытий. Основные параметры и размеры» [5 с. 41]: Таблица 7 Основные параметры и размеры Назначение ванн Длинна Ширина Высота Объём Количество мм. мм. мм. м3 . шт. Ванна промывки 1400 500 800 0,455 2 Ванна каскадной промывки 1400 1000 800 0,910 3 Ванна химической обработки 1400 500 800 0,455 2 Ванна электрохимической обработки 1400 630 800 0,573 5 2.8 Компоновка автоматической линии цинкования Длина линии определяется по формуле: L = ∑Ni · l + l с + l з + Δ l з.с. + n 0 Δ l 0 + n 1 Δ l 1 + n 2 Δ l 2 + n 3 Δ l 3 + Δ l б. где Ni – число ванн одного типоразмера; l – внутренняя ширина ванны одного типоразмера, мм; l с – ширина сушильной камеры, принимаем 1610 мм; l з – ширина загрузочно – разгрузочной стойки, принимаем 300 мм; Δ l з.с – зазор между сушильной камерой и загрузочно – разгрузочной стойкой, принимаем 190 мм; п0 – 3 – количество соответствующих сопряженных ванн; Δl 0 – зазор между стенками ванн без бортовых отсосов – 160 мм Δ l 1 – зазор между стенками ванн с односторонними бортовыми отсосами, принимаем 290 мм; Δ l 2 – зазор между стенками ванн с двухсторонними бортовыми отсосами, принимаем 390 мм; Δ l 3 – ширина кармана ванны, принимаем 250 мм; Δ l б. – ширина одностороннего бортового отсоса, принимаем 212 мм. Для линии цинкования: L = 6 · 800 + 6 · 630 + 3 · 1250 + 1610 + 300 + 190 + + 6 · 160 + 5 · 290 + 4 · 390 + 7 · 250 + 212 = 20362 мм. Для линии хромирования: L = 5 · 630 + 4 · 500+ 3 · 1000 + 1610 + 300 + 190 + + 4 · 160 + 5 · 290 + 3 · 390 + 6 · 250 + 212 = 15222 мм. Ширина линии определяется по формуле: B = l вн + В1 + В2 где l вн – внутренняя длина ванны, мм; В1 – расстояние от внутренней части стенки ванны до наружной плоскости опорной стойки, мм; В2 – расстояние от внутренней части стенки ванны до наружной плоскости площадки обслуживания, мм. Для линии цинкования: B = 1600 + 665 + 1165 = 3430 мм. Высоту линии выбираем из справочника: Н = 4700 мм. Для линии хромирования: B = 1400 + 665 + 1165 = 3230 мм. Высоту линии выбираем из справочника: Н = 4700 мм. 2.9 Расчет количества автооператоров линий Количество автооператоров, необходимого для обеспечения выбранного технологического режима, определяем по формуле: [11, с. 14] где τавт – время работы автооператора за цикл, с.; τавт = τг + τв + τост [11, с. 15 ] τг – суммарное время горизонтальных перемещений автооператора, сек; τв – суммарное время вертикальных перемещений, сек.; τост – время остановок автооператоров у ванн, сек; Қ1 – коэффициент, учитывающий обратные и холостые ходы автооператора, принимаю 1,5 [11, c. 14]. [11, с. 15 ] L – шаг между ваннами м, (для линий: цинкования 1,033 м. хромирования 0,909 м.) N – общее количество ванн; υг – скорость горизонтального перемещения, принимаем 0,3 м/с. Для линии цинкования: (сек) Для линии хромирования: (сек) [11, с. 15 ] Н – высота подъема барабана, принимаем 1 м.; υв – скорость вертикального перемещения автооператора – 0,22 м/с. Для линии цинкования: (сек) Для линии хромирования: (сек) τост = Z1 · τ1 [11, с. 14] τ1 – время задержки автооператора у ванн, принимаю 20 сек.; Z1 – количество ванн у которых останавливается автооператор. Для линии цинкования: τост = 15 · 20 = 300 (сек) Для линии хромирования: τост = 12 · 20 = 240 (сек) Время работы автооператора: Для линии цинкования: τавт = 55 + 146 + 300 = 501 (сек) Для линии хромирования: τавт = 40 + 118 + 240 = 398 (сек) Количество автооператоров: Для линии цинкования: → принимаем 2 автооператора Для линии хромирования: → принимаем 2 автооператора 3 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 3.1 Расчет поверхности загрузки и силы тока на ванну Суммарную поверхность загрузки для одной ванны одинакового типа определяем по формуле: , [10, с. 553] где S1 – рабочая поверхность деталей в ванне, м2 ; S2 – нерабочая поверхность металла подвески или приспособлений, м2 . Для цинковых покрытий: (м2 ) Для хромовых покрытий: (м2 ) Силу тока на одну ванну составит: , [10, с. 553] Для цинковых покрытий: (А) Для хромовых покрытий: (А) 3. 2 Расчёт напряжения на ванне Расчёт напряжения на ванне производим применительно к столбу электролита заключённого между катодом и анодом: , [13, с. 19] где R – сопротивление электролита, Ом; φа , φк – потенциалы анода и катода соответственно, В; [13, с. 20] α – коэффициент, учитывающий потери напряжения в электролите за счёт газонаполнения; [13, с. 20] β – коэффициент, учитывающий потери напряжения на контактах покрываемых деталей с подвесочным приспособлением; [13, с. 20] Iср – средняя сила тока на одну ванну, А; , [13, с. 19] Ik , Ia – сила тока на катоде и аноде, зависят от соотношения поверхностей катода к аноду; Так как при цинковании соотношение поверхности катода к аноду 1:1, то средняя сила тока составит 573 А. При хромировании соотношение поверхности катода к аноду 2:1 и средняя его сила тока составит: (А) R – сопротивление электролита, Ом. , [13, с. 19] где l – расстояние катод-анод, см; χ – удельная электропроводность, Ом –1 ·см –1 ; Для цинковых покрытий: (Ом) Для хромовых покрытий: (Ом) Для цинковых покрытий: (В) Для хромовых покрытий: (В) Необходимое напряжение на источнике тока складывается из напряжения на ванне и падения напряжения в шинопроводе: Падение напряжения в шинах от источника тока до ванны в обе стороны принимаю 10% от напряжения на ванне: Для цинковых покрытий: (В) Для хромовых покрытий: (В) Основываясь на расчётные данные выбираем по справочнику [14] выпрямительный агрегат: - для процесса цинкования ВАКГ–12/6–630У4 с максимальной нагрузкой 630 А и напряжением на клеммах 3–6 В. Коэффициент полезного действия η = 73%. - для процесса хромирования ВАК–6300–24У с максимальной нагрузкой 630 А и напряжением на клеммах 12–18 В. Коэффициент полезного действия η = 73%. Выпрямительный агрегат ВАК обеспечивает ручное регулирование напряжения, автоматическую стабилизацию напряжения, силы и плотности тока. Точность стабилизации напряжения и силы тока ± 5 %, плотности тока ± 10 % при изменении тока нагрузки от 0,1 до номинального значения. 3.3 Выбор и расчёт шин Шины собираются из отдельных полос длинной 3,5м или 5,5м соединенных внахлёст, или при помощи болтов. Сечение шин рассчитываю по допускаемому падению напряжения: , (мм2 ) [15, с. 208] где I – нагрузка на ванну, А; ρ – удельное сопротивление меди, Ом·мм2 /м; L – длина шинопровода в одну сторону, м; ΔU – максимально допустимое падение напряжения в шинах, В. Для цинковых покрытий: (мм2 ) Для линии цинкования выбираю медный шинопровод сечением 105 мм2 . Размер шин 35´3 мм, допустимая токовая нагрузка 600 А. [10, с. 482] Для хромовых покрытий: (мм2 ) Для линии хромирования выбираю двойной медный шинопровод сечением 800 мм2 . Размер шин 80´10 мм, допустимая токовая нагрузка 2460 А. 3.4 Суточный расход электроэнергии на электролиз Суточный расход электроэнергии на электролиз составляет: ,(кВт/сутки) [10. с.622] где I∑ – суммарная сила тока ванн, А; U – среднее рабочее напряжение ванн, В; k΄1 – коэффициент загрузки оборудования; k2 – коэффициент загрузки источника тока; ηa – КПД выпрямителя; h – число часов работы в сутки. Для цинковых покрытий: (кВт/сутки) Для хромовых покрытий: