Проект цеху електролітичного антикрозійного покриття цинкових поверхонь

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

АНОТАЦІЯ

Розрахунково-пояснювальна записка дипломного проекту включає шість розділів обсягом сторінок, графічна частина складається з шести аркушів формату А1.

В технологічній частині проекту проведено розрахунок основних техніко-економічних параметрів електролізу, обґрунтовано вибір електроліту блискучого цинкування. Наведено опис запропонованої технологічної схеми процесу нанесення цинкового покриття, проведено матеріальні та енергетичні розрахунки.

В розділі охорона праці наведено характер хімічних речовин, які використовуються в даному виробництві; заходи з техніки безпеки і промислової санітарії. Зроблено розрахунок природного освітлення виробничого приміщення та занулення.

ANNOTATION

Cash and explanatory note diploma project includes six chapters volume of pages, graphic part consists of six sheets of A1.

In the technological part of the project the calculation of basic technical and economic parameters of electrolysis, the choice of electrolyte brilliant galvanizing. The description of the proposed process flowsheet process causing zinc coating made material and energy calculations.

Under labor protection given the nature of chemicals used in this production, safety measures and industrial sanitation. Made calculation of natural light industrial premises and vanishing.



Зміст

1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Вступ

1.2 Обгрунтування місця будівництва цеху

2. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

2.1 Огляд джерел інформації

2.1.1 Огляд типів обладнання

2.2 Характеристика сировини, матеріалів і готової продукції; держстандарти і технічні умови

2.3 Вибір електроліту

2.4 Теоретичні основи процесу

2.5 Опис технологічної схеми

2.6 Матеріально-технологічні розрахунки

2.7 Розрахунок витрат електроенергії

2.8 Розрахунок основного апарата

3. КОНТРОЛЬ І АВТОМАТИЗІЦІЯ

3.1 Обгрунтування вибору номінальних значень технологічних параметрів, технологічна карта процесу

3.2 Вибір контурів регулювання

3.3 Опис технологічної схеми

3.4 Опис вибраних мікропроцесорних засобів автоматизації

3.5 Опис технічних засобів автоматизації

3.6 Розробка функціональної схеми автоматизації та опис її роботи

3.7 Специфікація на прилади та засоби автоматизації

4. ОХОРОНА ПРАЦІ

4.1 Характеристика об'єкта проектування

4.2 Нормування шкідливих і небезпечних виробничих чинників

4.2.1 Умови мікроклімату

4.2.2 Отруйні і вибухонебезпечні пари

4.2.3 Розрахунок бортового відсмоктувача апарата

4.2.4 Нормативи освітлення та заходи з нормалізації

4.2.5 Виробничий шум, вібрація, нормування

4.2.6 Виробнича гігієна. Водопостачання і каналізація

4.3 Технічна безпека

4.3.1 Електробезпека

4.3.2 Засоби індивідуального захисту

4.4 Пожежна профілактика

4.5 Загальна характеристика загально прийнятих рішень з охорони праці

5. БУДІВЕЛЬНА ЧАСТИНА

5.1 Характеристика будівлі і планування відділення

6. ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

6.1 Вибір режиму роботи обладнання

6.2 Розрахунок капітальних затрат та амортизації

6.3 Розрахунок капітальних витрат на обладнання

6.4 Витрати на допоміжне обладнання

6.5 Розрахунок витрат на електроенергію

6.6 Вартість використаних реагентів

6.7 Заробітна плата персоналу

6.8 Накладні витрати та собівартість продукції

6.9 Розрахунок прибутку і рентабельності виробництва

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ



1. ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Вступ

Щороку у світі 10% сталі втрачається внаслідок корозії. Через це, актуальним є питання захисту металовиробів від агресивного впливу довкілля. Одним з економічних способів захисту від корозії є цинкування.

Цинк - метал світло-сірого кольору з блакитним відтінком, має середню твердість, яка значною мірою залежить від способу його одержання. У хімічних сполуках Цинк має ступінь окислення +2, виявляє амфотерний характер, легко реагує з кислотами і лугами. Електролітичне цинкування є найбільш поширеним процесом в гальваностегії. Цинкові покриття застосовуються, головним чином, для захисту металів від корозії. Це пов'язано з тим, що стандартний потенціал Цинку Е₀ = 0.76В значно електровід'ємніший, ніж стандартний потенціал заліза (Е₀ = 0.44В). Завдяки цьому цинкові покриття, нанесені на залізо є анодними відносно основи й забезпечують її електрохімічний захист. Анодний характер цинкового покриття зумовлює захист основного металу від корозії навіть при малій товщині шару Цинку і наявності в покритті пор, подряпин, тріщин тощо. Анодний характер захисної дії цинкового покриття зберігається до температури 70⁰С. На повітрі Цинк тьмяніє, вкривається білявим нальотом гідроксидів та карбонатів, який не тільки не знижує захисні властивості покриття, а навпаки - запобігає його подальшому руйнуванню. Значною мірою хімічна стійкість цинкових покрить знижується в присутності органічних продуктів - хлорованих вуглеводів, оліфи, синтетичної смоли. Особливо Цинк кородує, якщо в повітрі чи воді знаходяться іони Cl^-, тому для умов морського клімату цинкові покриття не рекомендуються.

Для захисту від корозії і надання товарного зовнішнього вигляду електролітичні цинкові покриття піддаються обробці хімічним або електрохімічним методом з метою отримання на їх поверхні тонких пасивних плівок.

1.2 Обґрунтування місця будівництва запроектованоої дільниці

Щороку у світі 10% сталі втрачається внаслідок корозії. Через це, актуальним є питання захисту металовиробів від агресивного впливу довкілля.

Згідно з планом розвитку виробництва запроектовано будівництво дільниці цинкування дрібних складно профільних деталей заплановано на ПАТ «Електропобутприлад», м.Львів. Запроектована дільниця разом з діючим підприємством буде забезпечуватись:

а) електроенергією та парою з Львівобленерго;

б) водою з водоканалу;

в) газом з газових мереж.

Деякі види обладнання можуть виготовлятись на основному виробництві. Для будівництва дільниці є можливість використовувати місцеві будівельні матеріали.

Район будівництва має густу мережу автомобільних доріг та залізниць.

Забезпечення робочою силою буде здійснюватись залученням жителів близько розташованих сіл та міста Львів.

Підготовку інженерно-технічних працівників для потреб виробництва, що проектується, здійснюватимуть у НУ "Львівська політехніка".



2. ТЕХНОЛОГІЧНА ЧАСТИНА

2.1 Огляд джерел інформації

2.1.1 Огляд типів обладнання

Основною апаратурою гальванічних цехів, що застосовується для хімічної й електрохімічної підготовки деталей, нанесення покриттів і виконання завершальних операцій є:

а) стаціонарні ванни;

б) обладнання для оброблення дрібних деталей (дзвони і барабани);

в) напівавтоматичні ванни;

г) автоматичні установки.

Стаціонарні ванни

Ці ванни звичайно являють собою прямокутні або круглі резервуари, зварені з листової сталі товщиною 4-5 мм. Шви ванн - суцільні, нормальні, а у ванн великих розмірів - підсилені. Ванни великих розмірів вимагають підсилення жорсткості конструкції. Ванни, що вимагають місцевої вентиляції, забезпечені секційними відсмоктувачами з дросельними заслонками.

Залежно від призначення сталеві ванни футеруються: гумою, поліізобутиленом, вініпластом, асбовінілом, неорганічними кислотоупорами та іншими хімічно стійкими матеріалами. Окрім сталевих ванн, в гальванічних цехах використовуються також ванни: фаолітові, керамічні, фарфорові, емальовані та дерев'яні.

Стаціонарні ванни оснащені зливними штуцерами. Для підігріву використовують електричні нагрівники або водяні (пара-водяні) сорочки.

Електричний струм підводиться через повздовжні мідні або латунні штанги, що встановлені на бортах ванни в спеціальних ізоляторах.

Перемішування у стаціонарних ваннах забезпечують механічними мішалками, пневматично - пропусканням стиснутого очищеного повітря або неперервної циркуляцією електроліту [3].

У стаціонарних ваннах можна осаджувати покриття на деталі різних розмірів і складності профілю.

Дзвони

Покриття дрібних деталей у стаціонарних ваннах і напівавтоматах на підвісках пов'язано з великими трудовими витратами. У зв'язку із цим для покриття при масовому виробництві переважно користуються обертовими дзвонами і барабанами.

Дзвони виготовляють з непровідних матеріалів - ебоніту, дерева, целулоїду або гумованої сталі - у формі зрізаного конусу і встановлюються на двох чавунних стійках. До однієї з них прикріплений кронштейн, що підтримує електродвигун з черв'ячним редуктором, що зв'язаних з дзвоном через зубчате колесо. Підведення негативного полюсу (катод) струму забезпечується металічними щітками, що труться об мідне кільце, закріплене на дні дзвону. Звідси струм передається на вироби через мідні болти, які проходять через дно дзвону і з'єднуються з внутрішніми контактними пластинами. Практикується також струмопідведення у дзвін зверху.

Анод являє собою горизонтально розташовану пластинку, що занурюється у дзвін на вертикальному стрижні.

Розвантаження великих дзвонів здійснюється нахилом їх за допомогою поворотного колеса або штурвалу; при цьому деталі разом з електролітом зливаються на сітку; електроліт стікає у спеціальний збірник, звідки знову переливається у дзвін.

Неперервне перемішування виробів у дзвонах забезпечує рівномірне їх покриття. Недивлячись на інтенсивне перемішування електроліту робота з великими густинами струму виключається внаслідок обмеженої площі аноду (відбувається пасивація).

Недоліком дзвонів - невелика їх ємність, а також застосування порівняно високої напруги (6...12 В) [3, 4].



Барабани

Для покриття великих партій плоских деталей застосовують барабани. Їх виготовляють з вініпласту, текстоліту, органічного скла, сталі, покритої гумою, целулоїду та інших непровідних матеріалів.

Занурення барабану в розташовану під ним ванну з електролітом і підйом його відбувається спеціальним підйомником. Під час роботи барабан обертається навколо горизонтальної осі від мотору і редуктора, що встановлені на кронштейні з зовнішнього боку ванни.

Анодні пластини підвішують на штанги, що розташовані у ванні ззовні барабану, а підведення катодного струму здійснюється через спеціальні контактні кнопки, що розташовані в середині барабану. Завантаження/розвантаження барабану здійснюється через одну з граней.

Перевагами барабанних ванн перед дзвонами у тому, що у них забезпечується більша швидкість нанесення покриття, постійність складу електроліту і менші його втрати, можливо обробляти різні деталі не змішуючи їх.

До недоліків барабанів слід віднести їх порівняну недовговічність. Крім того, барабанні ванни необхідно регулярно очищувати від застряглих деталей [3, 4].

Напівавтоматичні ванни і автоматичні установки

Такі ванни призначені для виконання якоїсь однієї операції, найчастіше для певного виду покриття. У напівавтоматичних ваннах вироби переміщуються за допомогою нескінченого ланцюга від місця завантаження до місця розвантаження. На практиці застосовують три типи напівавтоматичних установок: прямолінійні й овальні і так звані кільцеві ванни.

На відміну від напівавтоматів автоматичні установки виконують усі операції: підготовку поверхні перед покриттям, нанесення покриття і оброблення поверхні після покриття.

Автоматичні лінії досить складні конструктивно і дорогі, тому використання їх у цехах з невеликою виробничою програмою недоцільне. Вони дають економічний ефект лише в умовах великої виробничої програми, пришвидшених процесів нанесення покриття і рівномірного надходження деталей у цех [4].

Проведений аналіз джерел інформації, склав основу для розроблення технології нанесення цинкового покриття на сталеві деталі. Ґрунтуючись на запропонованій технологічній схемі, розраховано основні показники технологічного процесу

2.2 Характеристика сировини, матеріалів і готової продукції; держстандарти і технічні умови

Аноди виготовляють у відповідності з вимогами діючих стандартів за технологічним регламентом, який затверджений у відповідному порядку. Аноди виготовляють із Цинку марок ЦО, Ц1С, Ц1 з хімічним складом за ГОСТ 3640.

Основні параметри і розміри

Розміри і можливі відхилення величин товщини, довжини, ширини анодів повинні відповідати вимогам, які предявлені в таблиці 2.1

Таблиця 2.1

Основні параметри і розміри анодів

Товщина, мм	Ширина, мм	Довжина, мм
Номін. Допуст. відх.	Номін. Допуст. відх.	Номін. Допуст. відх.
5.0 -0.4 6.0-0.5 8.0-0.7 10.0-0.8	65.75-10 100-600-20	400-1000-20
12.0-0.9 14.0-1.0 20.0-1.1	100-600-20



Характеристика

Обовязкові вимоги: поверхня анодів повинна бути вільною від всяких забруднеь, які затруднюють візуальний огляд. На поверхні анодів не повинно бути дефектів. Аноди повинні бути рівно обрізані. Похила нарізка не повинна виводити аноди за допустимі відхилення за шириною і довжиною.

Маркування

На кожному аноді повинен бути вибитий, або нанесний фарбою, яка не змивається водою, товарний знак, або назва і товарний знак підприємства виробника, марка Цинку, товщина аноду.

Пакування

Аноди транспортують без пакування. За вимогою споживача і при перевезенні залізнодорожнім транспортом, аноди запаковують у ящики відповідно до ГОСТ 21140.

Цинкові аноди застосовуються для цинкування (нанесення на поверхню виробу шару Цинку) виробів гальванічним способом. Цинкові аноди використовуються для утворення захисної оксидної плівки на поверхні металевих виробів методом електролізу.

У кваліфікаційній роботі застосовуються цинкові аноди марки ЦО. Аноди підвішують на штанги за допомогою латунних, мідних, або сталевих гачків з електролітом. Для виготовлення анодів використовується матеріал ЦО ГОСТ 1180-71 (розміри аноду - 5Ч6Ч70 мм).

Позначення та шифр покриття

Покриття позначають в залежності від способу їх отримання, матеріалу покриття, ознак, що характеризують їх фізико-механічні та декоративні властивості, а також додаткової обробки (ГОСТ 9.303-84).

Матеріал покриття, що складається зі сплаву, позначають символами компонентів, що входять до складу сплаву, у дужках вказують максимальну частку першого або першого і другого компонентів у сплаві. Наприклад, покриття сплавом мідь-цинк з масовою часткою Купруму 50-60% і Цинку 40-50% позначають МЦ(60).

Види багатошарових покриттів та їх позначення наведені в ГОСТ 9.303-84.

2.3 Вибір електроліту

Цинкування проводиться в електролітах трьох типів: кислих, ціанідних і лужних, безціанідних лужних (цинкатних).

Кислі електроліти дають змогу застосовувати високі густини струму, володіють високим (до 100%) виходом металу за струмом, але мають дещо малу розсіювальну здатність. Ці електроліти знайшли найбільш широкого застосування в промисловості. Використання їх дає змогу осаджувати цинк з високою швидкістю. Електроліти недорогі, а деякі з них (слабокислі електроліти з високим вмістом хлоридів) відзначаються високою розсіювальною здатністю, близькою до ціанідних електролітів [6].

Цинкові покриття з кислих електролітів мають світліший колір, характеризуються пластичністю і міцним зчепленням з основним металом і можуть витримувати різноманітне механічне оброблення. Тому для покриття деталей простої і середньої конфігурації, а також напівфабрикатів - листів, дроту, смуг та ін., що піддаються в подальшому механічному обробленню, слід використовувати кислі електроліти для цинкування.

Ціанідні електроліти відрізняються доброю розсіювальною здатністю і осади з них володіють вищою протикорозійною стійкістю. Проте ціанідні електроліти на дають змоги застосовувати відносно високих густин струму і характеризуються низьким виходом за струмом, що не перевищує 70-75%. Недоліком ціанідних електролітів є те, що вони досить отруйні і склад їх постійний внаслідок розкладу ціаністих сполук в процесі роботи. Вони, особливо з низьким вмістом ціаніду, досить чутливі до забруднень як розчинних, так і нерозчинних. Найбільш небезпечними забрудненнями є Cu, Pb, Cd, Sn.

Ціанідні електроліти використовують головним чином для покриття виробів з глибоким рельєфом, що потребують особливо надійного протикорозійного захисту. Деталі, що мають зварні шви, також слід покривати у ціанідних електролітах.

Лужні безціанідні (цинкатні) електроліти володіють нижчою розсіювальною здатністю, ніж ціанідні.

Густина струму при роботі в цих електролітах доводиться регулювати у порівняно вузьких межах, крім того, цинкатні електроліти схильні до утворення губчастих осадів і вимагають підігріву електроліту. Ці електроліти доцільно використовувати в тому випадку, коли з технічних причин не можна використовувати слабокислі або нейтральні електроліти цинкування, або у невеликих гальванічних цехах малої продуктивності. Їх можна використовувати також для ванн барабанного типу і дзвонів [6].

Нами був обраний лужний електроліт, що дає змогу отримувати блискучі цинкові покриття на підвісках, у барабанах і дзвонах як у стаціонарних ваннах, так і в напівавтоматичних і автоматичних установках. Процес включає всі переваги кислого хлористого цинкування - високу катодну ефективність, декоративне покриття і можливість отримання покриття на відлитих і кованих деталях. Особливістю даного електроліту є можливість використання підвищеної температури (до 45 ^оС), що знижує витрати на охолодження і підвищує продуктивність. Обраний електроліт має наступний склад і режими роботи:

Найменування компоненту	Концентрація, г/дм3
1. ZnO	10-17
2. NaOH	90-120
3. додаток NBC - M	9-11
4. Добавка блискоутворююча АС-45А, см3/дм3	30-50
5. Добавка блискоутворююча АС-45В, см3/дм3	3-8

Витрата добавок складає (1.5-3.0) дм³ на 10.000 А·год. Орієнтовна норма витрати при товщині покриття 1 мкм (0.9-1.8) см³/м².

Параметр	Режим
1. Катодна густина струму, А/дм2	0.2 - 1.2
2. Анодна густина струму, А/дм2	0.5 - 5.0
3. Швидкість осадження, мкм/хв	0.2 (при 0.8 А/дм2)
4. Температура, єС	15 - 45
5. рН	4 - 6
6. Фільтрування	Періодичний

2.4 Теоретичні основи процесу

Катодні процеси

При електролітичному цинкуванні основними катодними процесами є виділення цинку та водню.

Виділення водню

Виділення водню при цинкуванні відбувається за різними реакціями. У кислих електролітах проходить реакція:

.(2.1)

У нейтральних та лужних розчинах утворення водню на катоді відбувається за реакцією:

. (2.2)

В обох випадках прикатодний шар електроліту підлужнюється.

Частка кожного з катодних процесів (розряд іонів цинку і виділення водню) залежить від величини рівноважного потенціалу цинку в електроліті цинкування, значення перенапруги катодних реакцій. Рівноважний потенціал цинку по відношенню до водневого електроду в електролітах цинкування становить -0.76...-1.2В. Тому термодинамічно в цих умовах повинен виділятися передусім водень. Проте, внаслідок високої перенапруги виділення водню на цинку цей процес сильно загальмований і тому в кислих (рН 3.5-4.5) і слабокислих (рН 4.5-5.5) електролітах катодний вихід за струмом цинку становить 95-100%. В ціанідних і лужних безціанідних електролітах частка струму, що витрачається на виділення водню, може досягати 30-40% і більше [5].

При забруднені електролітів цинкування домішками солей металів більш електропозитивними, ніж цинк, відбувається їх одночасне розряджання з цинком. Оскільки на цих металах перенапруга виділення водню менша, ніж на цинку, вихід за струмом останнього може різко зменшитися. Найчастіше таке явище спостерігається у кислих електролітах, де наявність цих домішок призводить не лише до зниження виходу за струмом цинку, але й до погіршення якості покриття.

Механізм розряджання іонів цинку

Перехід іонів цинку в металічний стан здійснюється в результаті їх відновлення на катоді. Залежно від складу електроліту і його рН розряджання цинку відбувається з гідратованого іона, комплексного аніона або катіона.

У сильнокислих і кислих електролітах розряджання іонів цинку відбувається з гідратованого катіона:

.(2.3)

У хлоридних електролітах відновленню цинку передують реакції дисоціації вкрай нестійкого комплексу :

,(2.4)

, (2.5)

. (2.6)



У зв'язку з тим, що розряджання іонів цинку в обох випадках відбувається з простих гідратованих іонів при мінімальній поляризації, ці електроліти володіють низькою розсіювальною здатністю. Тому за відсутності органічних добавок з цих електролітів осаджуються крупнокристалічні нерівномірно розподілені по поверхні деталі цинкові покриття.

Деяке покращення розсіювальної здатності та якості покриття спостерігається при введені у розчини сульфату або хлориду цинку, солей алюмінію й амонію, які стабілізують рН, а останній також значно підвищує електропровідність розчину. При достатньому (5-8 кратному) надлишку хлориду амонію механізм розряду цинку змінюється. Завдяки підлужненню електроліту в приелектродному шарі під час протікання катодної реакції у ньому утворюється аміачний комплекс цинку , розряджання якого порівняно з аквакомплексом ускладнене. Це призводить до значного зростання поляризації і, як наслідок - покращення технологічних характеристик електроліту й якості цинкового покриття. Порівняно з концентрованими сильно кислими і кислими електролітами ці електроліти володіють підвищеною розсіювальною здатністю. За наявності у них органічних блискоутворювачів утворюються дзеркально блискучі з високим степенем вирівнювання цинкові покриття.

У нейтральних електролітах механізм відновлення цинку сильно залежить від рН.

При рН7 розряджання цинку відбувається за наступною схемою:

, (2.7)

,(2.8)

. (2.9)



При рН7:

, (2.10)

. (2.11)

У лужних ціанідних електролітах присутні одночасно два комплекси цинку: та , які знаходяться у динамічній рівновазі

, (2.12)

яка з урахуванням констант нестійкості комплексів повинна бути зміщена в бік утворення ціанокомплексу.

Разом з тим, згідно з теорією Герншера, розряджання цинку відбувається з цинкатного комплексу:

, (2.13)

. (2.14)

Згідно з цією теорією функція ціаноцинкату зводиться до транспортування іонів цинку у прикатодний простір.

Є велика кількість робіт, в яких показано, що механізм розряджання цинку з цих електролітів є значно складнішим і сильно залежить від співвідношення концентрацій цинку, ціаніду і гідроксиду, температури. Зокрема, допускається можливість утворення у приелектродному шарі менш стабільних змішаних гідроксоціанідних комплексів цинку, а також комплексів та . Тому на практиці велику увагу приділяють підтриманню оптимального співвідношення між вмістом цинку, ціаніду і гідроксиду. Для характеристики стану лужноціанідного електроліту звичайно визначають концентрацію у ньому цинку, лугу і співвідношення NaOH:Zn. З таких електролітів завдяки високій поляризації електроду утворюються високоякісні дрібнозернисті і рівномірні цинкові покриття. Висока поляризація розряджання цинку з цих електролітів є наслідком складності процесів у приелектродному шарі, обумовлених протіканням реакцій дисоціації достатньо міцних комплексів, адсорбції їх і продуктів їх розкладу на поверхні електроду, а також сповільненістю дифузії і міграції комплексних аніонів до негативно зарядженої поверхні катоду.

У лужних неціанідних (цинкатних) електролітах осадження цинку відбувається з гідроксоцинкату за реакціями (2.13) і (2.14), або здійснюється у дві стадії:

, (2.15)

.(2.16)

За даними Бокріса розряджання цинку з цих електролітів може протікати навіть у чотири стадії:

, (2.17)

, (2.18)

, (2.19)

.(2.20)

Навідміну від лужноціанідних розряджання цинку з цих електролітів протікає при невеликій поляризації. За відсутності інших комплексоутворювачів і блискоутворювачів лужні неціанідні електроліти мають низьку розсіювальну здатність, покриття отримуються неякісними. Для покращення технологічних характеристик цих електролітів і якості покриттів вводять добавки солей свинцю, колоїди, комплексоутворювачі (поліаміди, цитрати, глюконати, алканоламіни) і блискоутворювачі - в основному, ароматичні або гетероциклічні альдегіди [5].

Найбільшого застосування в цих електролітах знайшли високомолекулярні полімерні добавки. Адсорбуючись на найбільш активних центрах поверхні кристалів, осаду, що росте, вони гальмують реакцію переходу або збільшують перенапругу попередньої реакції дисоціації і гідролізу гідроксоцинкатного комплексу, збільшуючи тим самим загальну поляризацію катодної реакції.

Анодні процеси

Анодні процеси відіграють важливу роль при електролітичному цинкуванні, забезпечуючи рівномірне розподілення цинкового покриття по поверхні катоду та підтримуючи на необхідному рівні концентрацію іонів цинку і рН електроліту (при цинкуванні з розчинними анодами).

Основною умовою стабільного електролітичного цинкування при використанні розчинних анодів є приблизна відповідність між катодним і анодним виходами за струмом. При цинкуванні з нерозчинними анодами підтримання необхідних концентрацій і кислотності електроліту здійснюється його неперервним корегуванням.

Звичайно при цинкуванні застосовують розчинні аноди. Нерозчинні аноди використовують лише на агрегатах неперервного цинкування стрічки і смуги, особливо при нанесені сплавів цинку. У кислих і слабокислих електролітах розчинення аноду протікає без ускладнень практично при будь-яких густинах струму. Переважно анодний вихід за струмом вищий за катодний на 3-8%. Проте концентрація іонів цинку в процесі електролізу навіть зменшується, оскільки можливе збільшення концентрації Zn²⁺ за рахунок вищої швидкості анодної іонізації цинку порівняно з катодним їх відновленням компенсується втратами солей цинку в результаті винесення електроліту з деталями. Більш того, звичайно кислі електроліти корегують саме за солями цинку.

При анодному розчинені цинку в кислих електролітах іони Zn²⁺ переходять у розчин з утворенням гідратованих катіонів і в результаті конвективної дифузії і міграції відводяться від аноду в об'єм електроліту.

Анодне розчинення цинку відбувається за позитивніших потенціалів, ніж його рівноважний у даному електроліті.

Залежно від умов цинкування лімітуючими стадіями анодного розчинення можуть бути електрохімічна стадія іонізації цинку, відведення від поверхні аноду продуктів його розчинення і пасивація як окремих ділянок аноду, так і усієї його поверхні.

Пасивна плівка утворюється в результаті формування на поверхні аноду суміші оксидних і солевих плівок. Перші звичайно утворюються за реакціями:

; (2.21)

. (2.22)

Солеві плівки утворюються при пересичені електроліту поблизу електроду в результаті утворення важкорозчинних сполук або при дуже високих анодних густинах струму, коли завдяки великій швидкості іонізації цинку у приелектродному шарі досягається концентрація іонів, що відповідає величині добутку розчинності навіть добре розчинних його солей. Крім того, пасивуюча дія може бути пов'язана з витісненням пасивуючими частинками з поверхні аноду іонів, що беруть участь в іонізації цинку. Такі процеси спостерігаються у ціанідних, пірофосфатних, етаноламінових електролітах.

Для запобігання пасивації анодів в електроліти вводять активатори (хлориди, заміщені фосфатні солі амонію, оксалати, тартрати, цитрати), застосовують перемішування електроліту або підвищують його температуру, або використовують нестаціонарні режими електролізу (реверсований, струм) [5].

2.5 Опис технологічної схеми

Процес нанесення захисного і декоративно-захисного гальванічного покриття складається з ряду послідовних операцій. Технологічний процес блискучого цинкування дрібних деталей, що зображений на рис. 4.1 полягає у наступному: деталі з певним класом чистоти поверхні надходять у ванну хімічного знежирення 1, де знежирюються у розчині, г/дм³: NaOH_тех - 80, Na₂CO₃ - 60, Na₃PO₄ - 35, Скло рідке - 15, Сульфонол НП-3 - 1.5, Т = 65 ^оС, час - 10-15 хв. Після чого промиваються гарячою (55 ^оС) водопровідною поточною водою у ванні 2. Далі деталі піддаються електрохімічному знежиренню у ванні 3 у розчині складу, г/дм³: NaOH_тех - 50, Na₂CO₃ - 30, Na₃PO₄ - 30, Скло рідке - 10, Т = 65^оС, і_{к, а} = 1.5 А/дм², час - 4_к, 2_а хв. Потім промиваються у ваннах гарячого (55^оС) 4 і холодного 5 промивання відповідно у водопровідній поточній воді. У ванні 6 деталі декапіруються у розчині 100 г/дм³ HCl при цеховій температурі протягом 2-3 хвилин. Промиваються холодною водопровідною поточною водою у ванні 7. В електролізері 8 деталі цинкуються в електроліті, склад і режими роботи якого описані в пункті 3. Після цинкування деталі промиваються у ванні вловлювання 9 непроточною водопровідною водою цехової температури. Промиваються повторно у ванні 10 проточною водою. Далі при необхідності деталі освітлюються у ванні 11 з 2% HNO₃ до 25 секунд. Знову промиваються холодною проточною водою у ванні 12. Пасивуються у ванні пасивування 13 у розчині складу, г/дм³: Ліконда-21 - 75, H₂SO₄ - 1.25, Т = цехова, час - до 30 секунд, при повітряному перемішуванні. Такий розчин дає високоблискучу безколірну пасивну плівку. Оскільки розчин пасивування не містить солей хрому, тому відпадає необхідність у ванні вловлювання і після пасивування відбувається звичайне промивання деталей холодною, а потім гарячою (55 ^оС) проточною водою у промивних ваннах 14 і 15 відповідно. Далі деталі сушаться у сушарці 16 стиснутим повітрям при температурі 55 ^оС до повного висихання. Після висушування деталі піддають контролю якості покриття і упаковують.

Стічні води з ванн 1, 2, 3, 4 відводяться у лужні стоки. Вода з промивної ванни 5 може бути використана для приготування розчину чи електроліту знежирення. Відпрацьований розчин декапірування, промивні води з ванни 7, відпрацьований розчин освітлення, промивні води з ванн 12 і 14, а також відпрацьований розчин пасивування скеровуються у кислі стоки. А промивні води з промивної ванни 15 можна використати для приготування свіжого розчину пасивування. Відпрацьований електроліт цинкування періодично виводиться на регенерацію. Води з ванни вловлювання концентрують і передають на стадію вилучення цинку, який також можна використати при виготовленні свіжої порції електроліту цинкування. Також для цього можна використати промивні води з промивної ванни 10. Повітря, що виходить з сушарки викидається в атмосферу.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

2.6 Матеріально-технологічні розрахунки

Для розрахунків приймаємо:

– Деталі, що покриваються - сталеві кутники масою 50 г, площа поверхні одного болта становить 30 см².

– Товщина покриття становить 30 мкм.

– Робоча катодна густина струму становить 0.8 А/дм².

– Робоча напруга на ванні - 3,5В.

– Потужність електродвигуна барабану - 0,6 кВт.

– Швидкість осадження цинкового покриття при робочій густині струму становить 0.2 мкм/хв.

– Висота барабану - 450 мм, його діаметр - 450 мм.

– Маса завантаження деталей становить 25 кг.

– Винесення електроліту з деталями при вивантаженні становить 150 см³/м² площі деталей.

– Витрата добавок складає при товщині покриття 1 мкм (0.9-1.8) см³/м² площі деталей.

Розрахунок кількості реагентів для заправки ванни

Кількість реагентів для заправки ванни об'ємом 415 дм³ наведено в таблиці 2.1:

Таблиця 2.1

Кількість реактивів для приготування електроліту

Назва реагенту	Робоча концентрація, г/дм3	Маса на 415 дм3, кг
ZnO	10-17	24.9
NaOH	90-120	93.4
Додаток NBC-M	9-11	9.4
Добавка блискоутворююча АС-45А	30-50 см3/дм3	16.6 дм3
Добавка блискоутворююча АС-45B	3-8 см3/дм3	2.3 дм3
Вода	-	до 415 дм3

Розрахунок витрат реагентів на покриття

Розрахунок загальної площі деталей на 1 завантаження:

,

де S_дет - площа поверхні одної деталі;

m_заг - загальна маса деталей на 1 завантаження;

m_дет - маса одної деталі.

Розрахунок маси цинкового покриття (витрати анодів) на 1 завантаження:

,

Де S_заг - загальна площа деталей в дзвоні;

h - товщина цинкового покриття;

с_Zn - густина цинку.

Розрахунок витрат реагентів на 1 завантаження:

,

Де S_заг - загальна площа деталей на 1 завантаження;

V_витр - об'єм електроліту, який витрачається (виноситься з деталями) при вивантаженні;

С_реаг - концентрація відповідного реагенту в електроліті.

Витрата добавок становить:

,

Де S_заг - загальна площа деталей на 1 завантаження;

V_{витр.доб} - норма витрати добавки на 1м² покриття товщиною 1 мкм;

h - товщина покриття.

Витрату води наближено приймаємо рівній загальній витраті електроліту (150 см³/м²), отже, витрата води складає 1.5•150 = 225 см³.

Матеріальний баланс на одне завантаження (25 кг деталей) наведено в таблиці 2.2. Розрахунки проведено для варіанту з використанням NH₄Cl. Блискоутворюючі добавки не включені в розрахунки, оскільки їх хімічний склад і густина невідомі, а отже, неможливо визначити відповідні маси реагентів.

Таблиця 2.2

Матеріальний баланс цинкування (одне завантаження)

НАДХОДЖЕННЯ	ВИТРАЧАННЯ
Стаття	кг	%	Стаття	кг	%
1. Деталі	25.00	97.6	1. Цинковані деталі, в т.ч. а) деталі б) цинкове покриття	25.32 25.00 0.32	98.9 97.6 1.3
2. Цинкові аноди	0.32	1.3	1.
3. Електроліт, в т.ч. а) ZnO б) NaoН в) вода	0.290 0.014 0.051 0.225	1.1 0.06 0.16 0.88	2. Електроліт, в т.ч. а) ZnO б) NaOH в) вода	0.290 0.014 0.051 0.225	1.1 0.06 0.16 0.88
ВСЬОГО	25.61	100	ВСЬОГО	25.61	100

2.7 Розрахунок витрат електроенергії

Кількість електрики на 1 завантаження:

,

Де m_Zn - маса осадженого цинкового покриття;

K_Zn - електрохімічний еквівалент цинку (1.22 г/А•год).

Тривалість процесу покриття визначаємо:

,

Де h - товщина покриття;

h_норм - нормована робоча швидкість покриття (0.2 мкм/хв).

Питомі витрати електроенергії на покриття 1 кг деталей (при робочій напрузі на ванні 3.5 В):

Де Q - кількість пропущеної електрики;

U - напруга на ванні;

w_дв - потужність електродвигуна;

ф - тривалість електролізу;

m_заг - маса деталей на 1 завантаження.

2.8 Розрахунок основного апарата

Опис конструкції електролізера

Перевагою установки з одним зануреним барабаном є те, що відпадає необхідність у переливанні електроліту при завантажені та розвантажені деталей, а крім того, створюється краще співвідношення кількості електроліту до поверхні деталей, що покривають, що є необхідним для якісних покриттів при роботі зі струмом високої густини.

Такий електролізер являє собою: перфорований корпус (барабан) 1, виготовлений з вініпласту. Барабан занурюється у ванну з електролітом за допомогою пневматичного циліндру 2 через черв'ячну передачу 3. Корпус обертається внаслідок обертання маховика 4, який приводиться в дію електродвигуном 5 через ремінну передачу 6. Установка встановлена на підставці 7. Піднімальний механізм разом з приводом кріпляться на кронштейні 8, що прикріплений до корпусу електролітичної ванни 9.

Катодний струм підводиться через катодотримач 10. Анодом служать цинкові пластини або бруски 11, які підвішуються у ванну на штативі 12 зі сторони дзвону.

Розвантаження електролізеру здійснюється підніманням барабану за допомогою пневматичного циліндру; електроліт при цьому виливається у ванну, а деталі висипаються у сітку, яку встановлюють на ванні.

Характеристика установки

Показник	Величина
Діаметр барабану, мм Глибина, мм Максимальний об'єм електроліту у ванні, дм3 Найбільша маса завантаження деталей, кг Кут робочого стану барабану Швидкість обертання, об/хв Потужність двигуна, кВт	450 700 415 25 300 9 0,6

Розрахунок перфорації барабана

Приймаємо барабан у формі шестикутника. Висота барабану - 450 мм. Оскільки ширина сторони шестикутника дорівнює радіусу описаного кола, а діаметр барабану 450 мм, то ширина бокової грані барабану дорівнюватиме 450/2 = 225 мм.

Вибрано:

– розміщення отворів - рядне;

– діаметр отворів - 3 мм;

– міжцентрова відстань - 6 мм;

– відстань від осьової лінії крайнього ряду до торця грані - 10 мм.

Розраховуємо кількість рядів отворів на одну грань:

,



Де В - ширина грані;

b - відстань від осьової лінії крайнього ряду до торця грані;

l - міжцентрова відстань.

Розраховуємо ступінь перфорації (відношення площі отворів до площі бокових граней барабану):

,

Де d - діаметр отворів;

l - міжцентрова відстань.



3. КОНТРОЛЬ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ ВИРОБНИЦТВА

3.1 Обгрунтування вибору номінальних значень технологічних параметрів, технологічна карта процесу

Системи автоматизації технологічних процесів є важливим засобом для покращення продуктивності праці, поліпшення якості продукції, зменшення витрат матеріалів та енергії, зменшенні кількості обслуговуючого персоналу, покращенні організації виробництва. Вони знижують аварійність на виробництві, покращують безпечність роботи обладнання, допомагають запобігати попаданню шкідливих відходів технологічних процесів в навколишнє середовище.

Для проведення процесу електрохімічного полірування алюмінієвих деталей потрібно дотримуватись наступних значень технологічних параметрів, що наводяться в технологічній карті процесу:

№	Назва об'єкту	Номінальне значення технологічних параметрів
1	Електролізер	pH >5
2	Ванни промивки	Рівень води 0,8 м
3	Концентрація розчину знежирення	сульфатна кислота 150 г?дм3, миючий засіб 5 г?дм3, тіокарбамід 5 г?дм3
4	Температура у ванні хімічного цинкування	900С

3.2 Вибір контурів регулювання

Система автоматизації технологічних процесів дозволяють виконувати наступні функції:

- контроль параметрів технологічних процесів;

- обробка інформації;

- автоматичні регулювання параметрів;

- дистанційне та автоматичні регулювання;

- забезпечення безпечної експлуатації технологічного обладнання;

- оптимізація технологічних процесів;

При автоматизації процесу електрохімічного полірування, об'єктом регулювання є електролізер, де проходить полірування.

Система автоматичного керування процесу передбачає такі контури:

1. контур вимірювання pH в електролізері;

2. контур стабілізації рівня в ємностях для промивок;

3. контур стабілізації рівня в електролізері;

4. контур стабілізації температури в ємностях для промивок;

5. контур стабілізації температури в електролізері.

3.3 Опис технологічної схеми

Схеми автоматизації є основним технічним документом, що визначає функціональну структуру в блочному вигляді окремих вузлів автоматичного контролю, керування і регулювання технологічного процесу та оснащення об'єкта керування приладами і засобами автоматизації.

Для створення функціональної схеми автоматизації необхідно чітко володіти інформацією про технологічний процес не лише проектувальникам обладнання, а й людям, які будуть монтувати та налагоджувати обладнання.

Під час розроблення функціональної схеми автоматизації необхідно слідкувати за забезпеченням наступних факторів:

· отримання первинної інформації про стан технологічного процесу та обладнання;

· стабілізація технологічних параметрів процесу;

· контроль та реєстрація технологічних параметрів процесу та стану технологічного обладнання.

Поставлені вище задачі можна вирішити проаналізувавши умови роботи технологічного обладнання на базі виявлених законів та критеріїв керування об'єктом.

Функціональні задачі автоматизації реалізуються за допомогою різноманітних технічних засобів, зокрема відбірних пристроїв, засобів отримання первинної інформації, засобів перетворення та обробки інформації, засобів подання інформації обслуговуючому персоналу.

Функціональна схема виконується у вигляді креслення на якому схематично показують: технологічне устаткування, комунікації, органи керування і засоби автоматизації із зазначенням зв'язків між технологічним устаткуванням і засобами автоматизації, а також зв'язків між окремими функціональними блоками і елементами автоматики.

3.4 Опис вибраних мікропроцесорних засобів автоматизації

Мікропроцесорний програмований контролер PS4-141-MM1 є загально-промисловим контролером, призначеним для неперервного регулювання та дискретного логічного керування технологічним процесом.

Дозволяє рахувати імпульси сигналу з максимальною частотою 3 rHz за допомогою цифрового входу 0.0. Лічильник може рахувати прямокутні імпульси з коефіцієнтом заповнення 1. РLC має 16 цифрових входів, які потенціально ізольовані від CPU. Цифровий вхід 1.0 дає змогу виконувати необхідні дії при виникненні аварійних ситуацій.

РS4-141-MM1 має 14 цифрових виходів 24 В/0,5 А, які потенціально ізольовані від CPU і захищені від короткого замикання і перевантаження.

Фізичний рівень входів і логічний рівень сигналу відображається світлодіодами.

РS4-141-MM1 має місце для зовнішнього енергозалежного ОЗП розміром 32 кілобайт, який дозволяє розширити пам'ять програм. Пам'ять мікроконтролера можна розширити за допомогою додаткових модулів пам'яті.

Контролер може працювати в трьох режимах:

- HALT - режим зупинки;

- RUN - режим керування (виконання програм);

- RUN M-RESET - режим керування після перевантаження пам'яті.

При програмуванні контролера створюються наступні файли:

- файл системних параметрів та тексту програми - sourse fire;

- файл пояснень, коментарів змінних - reference file;

- файл відкомпільованого програмного модуля - program module.

Процедура програмування здійснюється в декілька наступних етапів:

1. встановлення системних параметрів;

2. конфігурування контролера;

3. побудова програми;

4. компіляція програми;

5. пересилання програми в контролер.

В даній системі автоматизації контролер повинен забезпечити підключення 1 аналогового входу, 8 дискретних входів, 1 аналоговий вихід, 10 дискретних виходів. Для цього потрібно застосувати 1 контролер РS4-141-MM1.

Конструкція контролера

Мікропроцесорний програмований контролер PS4-141-MM1 є загальнопромисловим контролером (Program Logic Controller - PLC) призначеним для неперервного регулювання та дискретного логічного керування технологічних процесів.

Контролер не має органів оперативного керування та контролю і призначений для монтування в шафах керування та приміщеннях, що дозволяють встановлення апаратури виконання ІР 20.

Загальний вигляд контролера показано на рис. 1.

1. Живлення контролера. Мікроконтролер PS4-141-MM1 живиться від 24 В постійного струму. Модуль живлення має захист від неправильного підключення полярності живлення і від короткого замикання.

2. Високочастотний вхід. Дозволяє рахувати імпульси сигналу з максимальною частотою 3kHz за допомогою цифрового входу 0.0. Лічильник може рахувати прямокутні імпульси з коефіцієнтом заповнення 1.

Рис. 1. Загальний вигляд контролера PS4-141- MM1 (Moeller- Klockner)

3. Цифрові входи. PLC має 16 цифрових входів, які потенціально ізольовані від CPU. Входи розраховані на 24 В постійного струму

4. Сигналізаційний вхід. Цифровий вхід 1.0 дає змогу виконувати необхідні дії (наприклад блокувати виконання програми) при виникненні аварійних ситуацій.

5. Вставне розняття.

6. Світлодіоди для цифрових входів. Фізичний рівень входів контролюється світловодами.

7. Цифрові/аналогові виходи, аналогові входи. PS4-141-MM1 має 14 цифрових виходів 24 В/0,5 А, які потенціально ізольовані від CPU і захищені від короткого замикання і перевантаження. Виходи Q 0.6 i Q 0.7 можна використовувати тільки як індикаторні. До чотирьох виходів можна з'єднувати паралельно.

PS4-141- MM1 має 2 аналогові входи і 1 аналоговий вихід.

Рівень аналогового сигналу - 0-10 В.

Розрядність входів - 10 біт (1024 рівні)

Розрядність виходу - 12 біт (4096 рівнів).

8. Світлодіоди для контролю виходів. Логічний рівень сигналу відображається світлодіодами.

9. Suconet K -інтерфейс. Це RS 485-інтерфейс, який потенціально- ізольований від CPU. Даний інтерфейс виконує наступні функції:

робота в мережі Suconet K-станцій;

послідовний зв'язок з приладами через послідовний порт(принтери, термінали, і т.д.);

програмування мережі для декількох PLC.

10. Задавачі потенціометричні. PS4-1х1-MM1 має 2 вбудовані потенціометричні задавачі P1 і P2. Значення аналогових сигналів, які задаються потенціометрами P1 і P2, можна зчитати в в пам'яті за адресою IAW0, IAW2. Оскільки розрядність аналогових сигналів = 10, то IAW0, IAW2 можуть приймати значення від 0 до 1024.

11. Перемикачі S1 для шинного навантажувального резистора. Для першої і кінцевої станції перемикачі S1 потрібно поставити в положення ON.

12. Програмний інтерфейс (PRG). Це RS 232-інтерфейс, який потенціально-ізольований від CPU. Виконує наступні функції:

програмування PLC за допомогою PC;

послідовний зв'язок (SCO) з обладнанням через послідовний порт.

13. Блок пам'яті. PS4-141-MM1 має місце для зовнішнього енергонезалежного ОЗП розміром 32 кілобайт, який дозволяє розширити пам'ять програм.

14.Світлодіоди для контролю стану контролера.

PLC може перебувати в стані:

· READY

· RUN

· NOT READY

· BATTERY

які контролюється світлодіодами. PLC обладнаний системним годинником, який живиться від батарейки. Годинник можна переводити програмним чином з літнього часу на зимовий.

3.5 Опис технічних засобів автоматизації

Індукивний давач положення типу Balluff BES M12 призначено для дистанційного указування положення виконавчого механізму (ВМ), що має індуктивний або реостатний датчик. Використовується у системах автоматизованого регулювання і керування технологічними процесами у різноманітних галузях промисловості і вимірювальних системах. Balluff BES M12 є одним з основних елементів систем автоматизованого керування. За допомогою вихідного аналогового сигналу даного пристрою можна:

- дистанційно визначати положення регулювального органу ВМ;

- використовувати у системах індикації положення ВМ;

- використовувати у пристроях зворотного зв'язку у системах регулювання;

- аналіз систем керування на предмет виходу з ладу ВМ;

- використовувати у режимах налагодження і дистанційного обслуговування ВМ.

Датчики-реле рівня СУС-100 державної системи промислових приладів і засобів автоматизації (ГСП) призначені для контролю рівня електропровідних і неелектропровідних рідких, твердих (сипких) середовищ, зерна і продуктів його розмолу. Забезпечують сигналізацію "наявності" або "відсутності" контрольованого середовища на встановленому рівні. Датчик-реле складається з конструктивно суміщених чутливого елемента і перетворювача. Кліматичне виконання УХЛ.2 по ГОСТ 15150. Температура навколишнього повітря від -45 до 80°C. Виконання корпусу IP54 по ГОСТ 14254.

Занурювальний датчик ДПг-4: робоча частина 1200мм, матеріал корпусу титан ВТ 1-1, матеріал допоміжного електроду фторопласт, корпус проточний, ключ електролітичний від 0,09 до 0,6 Мпа.

Пост двомісний "Старт-Стоп" XAL-B215: застосовується для управління електротехнічними пристроями, матеріал виготовлення: ПВХ, не підтримує горіння, ступінь захисту: IP65, відповідає МЕК (IEC) 60947-5-1.

Пускач електромагнітний LP1-SK0600 застосування: обладнання, що потребує застосування стандартних контакторів, обладнання, що потребує застосування контакторів з малим споживанням енергії, що включаються безпосередньо з напівпровідникового виходу програмованого логічного контролера. Технічні характеристики: номінальна напруга ізоляції (Ui), 690В; номінальна імпульсна напруга (Uimp), 8 кВ; захищене виконання: «TC» (Klimafest, Climateproof); ступінь захисту: захист від прямого дотику; температура навколишнього середовища, С: при зберіганні від - 50 до + 80 при роботі від - 25 до + 50; секціонування: SELV (2), до 400 В; приєднання: гвинтові клемні затиски, засувні контакти типу «Фастон», штирьові контакти для друкованої плати; струм термічної стійкості (Ith), 12 A (серія SK): 20; номінальна частота, Гц: 50/60; гранична частота номінального струму: до 400Гц; номінальна напруга (Un), 690B; номінальна включає здатність, А: 66 (серія SK) 110, 144, 160; номінальна напруга ланцюга керування (Uс), B: змінний струм: 12-690, постійний струм: 12-250; максимальна частота комутації, кім. циклів / до 3600 год.

...