Расчет параметров цинкового покрытия деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Гальванические покрытия играют важную роль в промышленности. В данном проекте будет рассмотрен процесс получения цинкового покрытия, рассчитано число одновременно обрабатываемых деталей на подвеске, определили тип подвески, ее размеры и материал выбраны ванны гальванической линии, количество автооператоров, расчитаны размеры линии, и материальный баланс.

Цинковое покрытие принято считать защитным. В основном оно применяется для повышения коррозионной стойкости деталей.

Цинк - металл светло-серого цвета. Атомная масса его равна 65,4 а.е.м; валентность 2. Плотность цинка 7130 кг/м³, температура плавления 419 ⁰С. Твердость цинковых покрытий низка и колеблется от 0,4 до 2,0 ГПа в зависимости от природы электролита и условий осаждения. Удельное электрическое сопротивление цинка 0,06 ·10^-3 мк² Ом/м [3].

Цинк довольно хрупкий в обычных условиях металл. На сухом воз-духе при нормальной температуре не изменяется, во влажном воздухе покрывается оксидной пленкой и теряет металлический блеск.

Цинк является активным электроотрицательным металлом, поэтому цин-ковые покрытия электрохимически защищают железо и сталь от коррозии. В коррозионной среде образуется гальваническая пара цинк-железо, в которой железо является катодом, и поэтому не разрушается, пока есть слой цинка.

Защитная способность цинкового покрытия пропорциональна его толщи-не. Для повышения коррозионной устойчивости цинковые покрытия подвергают хроматированию в растворах бихромата калия. После промывки в холодной воде и сушки поверхность приобретает золотистую окраску. Скорость коррозии его в атмосфере зависит от наличия влаги и промышленных загрязнений.

Цинк - сравнительно дешевый и доступный металл, поэтому он широко применяется для защиты от коррозии стальных листов, проволоки, ленты, деталей машин, крепежных деталей, трубопроводов и др. изделий .

В условиях повышенной относительной влажности и температуры (тропические условия) цинк корродирует с более высокой скоростью, при этом образуются рыхлые продукты коррозии.

Скорость коррозии цинка в воде при повышении её температуры до 50 ⁰С резко увеличивается и достигает максимального значения при 65-70 ⁰С.

Наличие максимума связано с образованием зернистой плёнки.

При 65-70 ⁰С электродный потенциал цинка становится более электропо-ложительным, чем стали.

1. Характеристика деталей подлежащих химической и электрохимической обработке. Эскизы деталей

В данном курсовом проекте процессу цинкования подвергается пластины размером 159мм на 139мм и толщиной 3мм, которые применяются в отделке фасадов зданий.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 - Эскиз пластины.

2. Условия эксплуатации деталей. Выбор толщины покрытия

Детали, подвергающиеся цинкованию, будут использоватся в жестких условиях, в которых возможно воздействие конденсата и влаги, периодических ливневых дождей а также возможно хранение изделий при холодном и умеренном климате под навесом или на открытом воздухе.

Выбор типа гальванического покрытия и его толщины в зависимости от условий эксплуатации производится согласно ГОСТ 9.303-84.

Тип покрытия: цинкование.

Материал детали: сталь углеродистая Ст3сп

Назначение покрытия: защитно-декоративное.

Толщина 10 мкм.

3. Требование к поверхности основного металла. Требование к покрытию

Качество поверхности основного метала определяется двумя основными показателями: шероховатостью и волнистостью.

Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхности и оказывает существенное влияние на эксплуатационные показатели.

Шероховатость поверхности оценивается значениями, высотных параметров: Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам.

Шероховатость поверхности основного металла должна быть не более: Rz 40 мкм - под защитные покрытия; Ra 2,5 мкм - под защитно-декоративные покрытия; Ra 1,25 мкм - под твердые и электроизоляционные анодно-оксидные покрытия.

Волнистость поверхности - совокупность периодически повторяющихся неровностей, которые образуются прежде всего в связи с колебаниями или относительными колебательными движениями в системе станок - инструмент - изделие. Высота неровностей волнистости и высота шероховатости примерно одинаковые.

Поверхность деталей, изготовленных из горячекатаного металла, должна быть чистой, без травильного шлама, окалины, ржавчины и других загрязнений. Неоднородность проката, закатанная окалина, раковины, поры, расслоения, выявляющиеся после травления, полирования или шлифования, являются основанием для бракования детали, если после контрольной зачистки размеры детали выходят за предельные вследствие дефектов.

К покрытиям в процессе производства и приемки предъявляются требования к внешнему виду и, при необходимости, к специальным свойствам.

Кроме того, для металлических покрытий устанавливают требования к толщине, пористости и прочности сцепления и, в случае испытаний сплавами, к химическому составу.

По внешнему виду, по химическому составу, защитным свойствам и пористости покрытие должно соответствовать требованиям ГОСТ 9.301-78.

Покрытие должно быть прочно сцепленным с основным металлом, без шелушения, сколов, вздутий и растрескивания и выдерживать испытания на прочность сцепления в соответствии с ГОСТ 9.302-79.

При выборе покрытий следует помнить, что шероховатость поверхности деталей после нанесения защитных и специальных покрытий (цинк, кадмий, серебро и др.) ухудшается в зависимости от толщины покрытия и технологии его нанесения.

При предъявлении к покрытиям требований по блеску в обозначении покрытий указывается степень блеска: матовое, блестящее, зеркальное. Зеркальное покрытие получается непосредственно при электролизе или с помощью механических средств до и после нанесения покрытия.

На поверхности покрытия не допускаются пригары, вздутия, следы неотмытых солей, пузыри, отслаивание, шелушение, сколы, рыхлость, растрескивание, видимые следы от рук.

4. Ведомость загрузки деталей на годовую программу

Таблица 1 Загрузочная ведомость деталей для линии цинкования.

№ п/п	Наименование деталей	Характеристика деталей	Годовая поверхность м2	Вид обработки
		материал	Габариты (длина ширина высота) мм	Масс кг	Покрываемая поверхность м2
1	Пластина	Ст3сп	159*139*3	0,52	0,046	202000	Цинкование

5. Выбор технологической схемы нанесения покрытия

5.1 Описание технологической схемы

1. Электрохимическое обезжиривание - способ обезжиривания металла на катоде или аноде в щелочном растворе под действием электрического тока. В зависимости от того, каким электродом (катодом или анодом) является изделие, обезжиривание называют катодным или анодным.

Процесс обезжиривания значительно ускоряется при повышении температуры растворов. При обезжиривании на катоде возможно его наводораживание, металл становится хрупким, поэтому применяют комбинированное обезжиривание: катодное в течение 3-10 мин и анодное в течение 1-3 мин.

2. Травление - процесс удаления продуктов коррозии и оксидных соединений с поверхности металла путем растворения их в кислотах. Плёнка оксидных соединений образуется на поверхности металла под действием окружающей среды.

Для удаления окалины применяют смесь кислот, чаще всего серной и соляной.

Соляная кислота удаляет окислы с поверхности стали за счет их растворения. В серной же кислоте удаление окислов происходит главным образом за счет подтравливания металла и механического удаления разрыхленного слоя окислов выделяющимся водородом.

При травлении в серной и соляной кислотах в растворы кислот вводят ингибиторы с целью предохранения металла от перетравливания, а также снижения удельного расхода кислоты и устранения водородной хрупкости деталей [2].

3. Промывка. После каждой подготовительной операции детали тщательно промывают водопроводной водой, чтобы освободить их поверхность от остатков загрязнений. Растворенные мыла в холодной воде затвердевают, поэтому промывку после электрохимического обезжиривания нужно вести в горячей воде (70-90 ⁰С). Но поскольку после электрохимического обезжиривания следует операция травления, куда деталь должна поступать холодной, то приходится после электрохимического обезжиривания сначала проводить промывку в горячей воде, а затем в холодной.

Горячая промывка применяется также перед сушкой деталей.

После основной операции поводят каскадную противоточную промывку в холодной воде (комплект из 3-х ванн). Подводить к покрываемой детали абсолютно чистую воду невозможно, ибо при первом же соприкосновении с деталью в неё перейдёт какое-то количество смываемых веществ. Практически это осуществимо при промывке сильной струёй воды, не используемой повторно. Однако этот способ обладает существенным недостатком - большим расходом воды. Поэтому всё шире применяется метод каскадной противоточной промывке, основанный на принципе встречного движения растворяемого вещества и растворителя. Осуществляется это так: устанавливаются три промывные ванны. Свежая вода поступает сначала в первую ванну, из неё переливается во вторую и затем в третью и уже оттуда уходит в канализацию, а детали с плёнкой адсорбированного раствора промываются сначала в третьей ванне, потом во второй, а затем в первой. Следовательно, детали сначала промываются более загрязненной водой, а затем все более чистой водой, что позволяет поддерживать всё время достаточно большую разность концентраций загрязнений между плёнкой на детали и подаваемой водой и это все позволяет существенно уменьшить расход воды.

4. Цинкование.

Процесс цинкования с применением цинкатного электролита.

5. Улавливание.

Процесс улавливания компонентов электролита цинкования и компонентов электролита осветления - пассивирования.

Электролиты из ванн улавливания направляются на обработку в электроэкстракторы для извлечения цинка и регенерации компонентов электролитов, что в конечном итоге уменьшает вынос токсикантов за счет возврата цинка в гальваническую ванну и хромата в ванну осветления - пассивирования.

6. Осветление - 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. Т.к. в состав раствора введен хромовый ангидрид, операция осветление совмещается с хроматным пассивированием. В результате чего на поверхности покрытия образуются цветные пленки радужных оттенков, состоящие из труднорастворимых гидроксохроматов хрома и цинка.

После пассивирования рекомендуется промывка в холодной воде.

7. Сушка.

Сушка деталей горячим воздухом производится в сушильных агрегатах. Они состоят из корпуса с теплоизолированными стенками, парового или электрического калорифера, вентилятора и заслонки для регулирования подачи и отсоса воздуха.

5.2 Контроль качества цинкового покрытия

Качество покрытия во многом определяется качеством металла основы, поэтому контролю подвергают как покрытие, так 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.

Контроль качества покрытий производится согласно ГОСТ 9.301-86 и ГОСТ 9.302-88.

При нанесении покрытий в автоматических линиях контроль осуществляют один раз в смену по следующим параметрам:

внешний вид покрытия;

толщина покрытия;

контроль сцепления покрытий с основой;

пористость покрытия.

На поверхности покрытых деталей как следствие допускаемых дефектов на поверхности основного металла и особенностей конфигураций изделий могут быть следы от механической обработки проката и других отклонения, допускаемые НТД.

Допускаются пятна вокруг раковин или пор, темные полосы или пятна в труднодоступных для зачистки отверстиях и пазах, на выпуклых поверхностях и на вогнутых участках деталей сложной конфигурации и местах сопряжения неразъемных сборочных единиц сварных, паяных швах и около них на расстоянии не более 2 мм по одну и другую сторону от шва и во внутренних углах взаимно перпендикулярных плоскостей при условии последующей дополнительной защиты этих мест лаком

Таблица 2- Технологическая схема нанесения цинкового покрытия

Наименование операции	Компоненты раствора	Концентрация г/л	Температура 0С	Время мин
Эл.химическое обезжиривание	NaOH Na2CO3 Na3PO4 Na2SiO3 · 12H2O	35 35 50 10	40-45	5
Промывка в теплой воде			70-90	1
Промывка в холодной воде			20	1
Травление	H2SO4 Ингибитор КИ-1	200 3	25	7
Промывка в холодной воде			20	1
Цинкование	ZnO NaOH Блескообразователь ЛВ - 4584	12 100 1	15-30	39
Улавливание	NaOH блескообразователь ЛВ - 4584	35 0,35	20	1
Промывка в холодной воде (каскадная)			20	3
Осветление- пассивирование	Na2Cr2O Na 2SO4 HNO3	30 10 6	15-25	0,75
Улавливание	Na 2SO4	3	20	1
Промывка в холодной воде			20	1
Промывка в теплой воде			70-90	1
Сушка				12,3

6. Выбор электролита для нанесения покрытия. Определение состава электролита и режимов проведения процесса

Щелочной электролит цинкования с добавкой ЛВ-4584 разработан Ю.М. Лошкаревым. Это высокоэкономичный способ цинкования стальных деталей сложного профиля из щелочных электролитов, который и сегодня широко используется в промышленности СНГ. Способ предназ-начен для замены процессов цианистого цинкования, который ранее широко применялся в автомобильной, электротехнической, машиностроительной и металлургической промышленности.

Технологический процесс цинкования с добавкой блескообразователя ЛВ-4584 имеет ряд преимуществ. Этот электролит обладает необычно высокой рассеивающей способностью, работает при высокой плотности тока. Он специально создан для замены токсичных цианистых ванн; при этом из электролита исключаются вредные цианистые соли; значительно упрощается обезвреживание сточных вод; использование щелочного электролита вместо цианистого не требует переделки оборудования и коммуникаций.

Существенными преимуществами процесса по сравнению с цианистым электролитом является повышенный выход металла по току, более высокая рассеивающая способность, широкий диапазон технологических плотностей тока, что исключает явление «подгара» при любых плотностях тока. Процесс способен обеспечивать получение качественных покрытий в тяжелых условиях эксплуатации без образования вредных продуктов распада.

Другим преимуществом процесса является тот факт, что он требует только одну добавку для правильного действия электролита. Электролит не требует особенного ухода, такого, какого требуют системы, содержащие цианиды цинка.

Таблица 3- Состав цинкатного электролита

Состав:	Концентрация, г/л
Оксид цинка	12
Едкий натр	100
Добавка ЛВ - 4584	1
Режим осаждения:
Температура, 0С	15-30
Катодная плотность тока, А/дм2	0,5-1,0*

*При перемешивании цинкатного электролита плотность тока достигает 3 А/дм².

Преимуществом предлагаемого способа является сокращение расхода электроэнергии, высокая скорость осаждения.

При взаимодействии оксида цинка с едким натром образуется комплексное соединение Na₂[Zn(OH)₄], при диссоциации которого появляется анион [Zn(OH)₄]^-2.

Рассеивающая способность цинкатных электролитов выше, чем цианидных. Выход по току составляет 98 %.

Приготовление электролита необходимы следующие компоненты:

Окись цинка ZnО поставляется по (ГОСТ 10262-73). Она может быть заменена сухими цинковыми белилами (ГОСТ 202-84). Это белый порошок, нерастворимый в воде, но хорошо растворимый в концентрированных растворах едкого натра;

Едкий натр NаОН технический (ГОСТ 2263-79) - плавленая кристалл-лическая масса белого цвета с неограниченной растворимостью в воде;

Добавка ЛВ - 4584 - прозрачная слегка желтоватая жидкость. Может быть до светло-коричневого цвета, в ней допускается небольшой осадок.

Для приготовления электролита растворяют в воде едкий натр и при перемешивании добавляют кашеобразный оксид цинка.

Повышение температуры в значительной мере ускоряет растворение оксида цинка. После его растворения в электролит вводят добавку блескообразователя ЛВ - 4584.

Корректировку цинкатного электролита проводят по данным анализа.

При ежедневной непрерывной работе ванны цинкования рекомендуется проводить определение Zn и добавки ежедневно, а NаОН - 2 раза в неделю.

При цинковании используют аноды цинковые, марки Ц0, Ц1, Ц2 (ГОСТ 1180-41). Температура плавления 419 °С [3, с. 25].

При тенденции к уменьшению содержания Zn в электролите необходимо увеличить площадь анодов. При увеличении содержания Zn - заменить часть цинковых анодов на стальные.

При нахождении ванны цинкования в нерабочем состоянии происходит накопление Zn в электролите. При перерывах в работе необходимо удалять из ванны аноды.

Особенности режимов процесса нанесения цинкового покрытия

При электрохимическом осаждении цинка на катоде протекает следующий основной процесс:

Zn(OH)₄^-2 + 2e^- = Zn + 4 OH^-.

Побочным процессом на катоде является разряд ионов Н₂:

2 H₂O + 2e^- = H₂ + 2 OH^-.

Выделяющийся водород в атомарном состоянии проникает в кристаллическую решётку металла покрытия и подложки, тем самым, повышая его хрупкость материала изделия. Этот процесс носит название наводораживание. Для того, чтобы снизить негативный эффект от наводораживания, нужно предпринимать меры по повышению выхода по току цинка.

Температура ведения процесса нанесения цинкового покрытия составляет 20-30 ⁰С. При повышении температуры процесса наблюдается снижение перенапряжения выделения водорода на катоде, а это приводит к большему его выделению, и, следовательно, к снижению выхода по току цинка и возрастанию степени наводораживания детали.

При понижении температуры наблюдается снижение электропроводности раствора электролита, что влечет за собой увеличение напряжения на ванне и перерасход электроэнергии расходуемой на процесс покрытия [2].

При снижении плотности тока будет происходить снижение производительности и как следствие этого, повышение себестоимости изготовления изделия, а, кроме того, будет снижаться выход по току цинка, что влечет за собой большее наводораживание стали. При повышении концентрации оксида цинка в электролите будет происходить снижение концентрации щёлочи в электролите, а это приведёт к понижению выхода по току цинка.

Оптимальное содержание щёлочи в электролите 150 г/л. Если содержание щёлочи будет выше, то будет происходить снижение рассеивающей способности электролита, а это приведет к ухудшению качества покрытия. Если содержание щёлочи будет пониженным, то снижается выход по току, а это повлечет за собой увеличение наводораживания детали и снижение производительности процесса цинкования.

При цинковании происходит разряд ионов цинка на катоде по следующему механизму:

цинковый покрытие деталь электролит

К: Zn⁺² +2e^- = Zn⁰.

Реакция растворения металлического цинка на аноде протекает по механизму:

A: Zn⁰ -2e^- = Zn^-2.

При этом в электролите возможно протекание следующих реакций:

Zn(OH)₂ + NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

Na₂[Zn(OH)₄] = 2 Na⁺ + [ZN(OH)₄]^-2

[Zn(OH)₄]^-2 = Zn⁺² + 4 OH^-.

7. Расчет производственной программы

Для производства с периодическим режимом при пятидневной рабочей неделе с учетом праздничных и выходных дней, номинальный годовой фонд работы цеха составляет:

Т_н = 365 - (2·52 + 11) = 250 дней,

где 365 - количество дней в году, 2·52 - количество выходных дней, 11 - количество праздничных дней.

T_н·z = 250 · 16 = 4000 ч,

где z - количество рабочих часов в сутки.

Действительный годовой фонд времени рассчитывается с учетом общих годовых потерь времени на простой оборудования согласно графика ППР и невыхода персонала. Он для автоматического оборудования, работающего в две смены составляет 5 % от номинального годового фонда рабочего времени.

Т_д = 4000 - (4000 · 0,05) = 3800 ч.

Эффективный фонд времени определяется с учетом потерь на подготовительные и заключительные операции, т.е. с учетом коэффициента машинного времени f_исп:

Т_эфф. = Т_д · f_исп. T_эфф = 3800 · 0,967 = 3675 ч.

При установлении производственной программы цеха необходимо учитывать неизбежный процент брака.

Процент неисправимого брака зависит от специфики производства и принимается в пределах 0,5 - 3,0 % [6].

Р_год = Р_зад*0,01а

где Р_год - годовая производительность цеха, м²/ год; Р_зад - заданная программа цеха, м² / год; а - доля брака %.

Р_год = 200000*0,01*1 = 202000 м²/ год.

Суточная программа цеха по цинкованию:

Р_сут = Р_год /Т_н

Р_сут = 202000/250 = 808 м²/сут.

Часовая производительность:

Р_час = Р_год/Т₀

Р_час = 202000/3800 = 54 м²/ч.

Определение времени обработки деталей.

Общее время обработки деталей складывается из времени необходимого для обработки деталей и времени, затрачиваемого на загрузку и выгрузку деталей.

t = t₁ + t₂ ,

где t₁ - время основного процесса, t₂ - время на дополнительные операции.

Продолжительность электроосаждения цинка определяется по формуле [6]:

t₁ = b · р · 60 / 1000 · К_эл · i_к · Вт, мин,

где b - толщина покрытия, м; р - плотность цинка - 7140 кг/м³; К_эл - электрохимический эквивалент, г/А·ч; i_к - катодная плотность тока, А/м² ; Вт - выход металла по току, доли единицы.

t₁ = 10 ·10^-4 · 7140·60/ 1000 · 1,22 ·100 · 0,95 = 37 мин.

где t₂ - время затрачиваемое на загрузку и выгрузку деталей принимается равным от 1 до 3 мин. [6]. Принимаем t₂ = 2 мин.

Тогда общее время обработки будет составлять :

T_zn = 37 + 2 = 39 мин

8. Расчет автоматической линии

Ритм выдачи приспособлений с изделиями в автоматической линии:

R = Т_эфф · 60 · К_загр / а,

где Т_эфф - эффективный фонд времени работы оборудования, час; К_загр - коэффициент загрузки автоматической линии; а - количество загрузочных единиц необходимых для выполнения годовой программы, шт.

а = S_год / S₁,

где S_год - годовая программа покрываемой поверхности, м²; S₁ - поверхность покрываемых деталей на одной подвеске;

а = 202000/9,2 = 21957 подвесок в год.

R = 3675 · 60 · 0,986 / 21957 = 9,9 мин; (594 с)

Для выполнения заданной программы требуется оптимальное количество основных и вспомогательных ванн.

Количество одинаковых (по количественным и качественным показателям) ванн определяется по формуле:

n = у_н / у,

n = 3,94 / 1 =3,94 ~ 4 ванны.

Принимаем для процесса цинкования четыре ванны.

Количество вспомогательных ванн в автоматической линии рассчитывают по формуле:

n_вс = t_вс / R,

где t_вс - время пребывания деталей в каждой вспомогательной ванне, мин; R - ритм выдачи приспособлений с изделиями в автоматической линии, мин.

Количество вспомогательных ванн по операциям

Необходимое количество ванн для электрохимического обезжиривания:

n_{эл.хим.обезжир} = 5/ 9,9 = 0,51 шт.

Принимаем одну ванну для электрохимического обезжиривания.

Необходимое количество ванн тёплой промывки

n_{теплой пром.} = 1 / 9,9 = 0,1 шт.

Принимаем две ванны для тёплой промывки (одна после электрохимического обезжиривания, вторая после осветления - пассивирования).

Необходимое количество холодной промывки

n_{хол.пром.} = 1 / 9,9 = 0,1 шт.

Принимаем три ванны для холодной промывки (одна после электрохимического обезжиривания, вторая после травления, третья после осветления - пассивирования).

Необходимое количество ванн травления

n_травл. = 4/ 9,9 = 0,4 шт.

Принимаем одну ванну травления

Необходимое количество ванн улавливания

n_улавл.= 1 / 9,9 = 0,1 шт.

Принимаем две ванны улавливания (одна после цинкования, вторая после осветления - пассивирования).

Необходимое количество 3-х секционных ванн каскадной промывки

n_{каск.пром.} = 3 / 9,9 = 0,3 шт.

Принимаем одну^* 3-х секционную ванну каскадной холодной промывки после ванны улавливания.

^*Примечание. При расчете количества вспомогательных ванн принимаем 3-х секционную ванну каскадной холодной промывки за три ванны для холодной промывки.

Необходимое количество ванн осветления - пассивирования

n_{осв-пасс.} = 0,75 / 9,9 = 0,076 шт.

Принимаем одну ванну осветления - пассивирования.

Необходимое количество сушильных камер

n_суш = 12,3 / 9,9 = 1,2 шт.

Принимаем две сушильные камеры.

Итого: количество вспомогательных ванн по операциям равно 13.

Таблица 4 Характеристика ванн автоматической линии

Наименование ванн	Коли-чество	Внутренние размеры	Полный объем ванны м3	Рабочий объем ванны м3	Футе-ровка	Нагре-вание	Переме- шивание
Эл.химическое обезжиривание	1	2500х1400х2500	8,75	8,05	винипласт	+	+
Промывка в теплой воде	1	2500х1250х2500	7,812	6,563		+
Промывка в холодной воде	1	2500х1250х2500	7,812	6,563			+
Травление	1	2500х1250х2500	7,812	6,563	винипласт
Промывка в холодной воде	1	2500х1250х2500	7,812	6,563			+
Цинкование	4	2500х1400х2500	8,75	8,05	винипласт
Улавливание	1	2500х1250х2500	7,812	6,563	винипласт
Промывка в холодной воде (каскадная)	3	2500х1250х2500	7,812	6,563			+
Осветление- пассивирование	1	2500х1250х2500	7,812	6,563	винипласт
Улавливание	1	2500х1250х2500	7,812	6,563	винипласт
Промывка в холодной воде	1	2500х1250х2500	7,812	6,563			+
Промывка в теплой воде	1	2500х1250х2500	7,812	6,563		+
Всего ванн	17

Расчет количества и производительности ванн.

Суммарное время, необходимое для покрытия годового количества деталей:

Т_с = ,

Р_г = ,

Принимаем подвеску с двумя штангами, на каждой штанге по 100 деталей.

S_1подв = S_1дет• n_дет = 0,046•200 =9,2 м²

Р_г = шт подвесок на год,

Т_с = ч,

Количество подвесок, одновременно загружаемых во все ванны :

у_п = Т_c · K / Т_д ,

где Т_c - суммарное время, необходимое для покрытия общего количества деталей; К_пз - коэффициент, учитывающий время на подготовительные и заключительные операции, Т_д - действительный годовой фонд времени.

у_п = 14272 · 1,05 / 3800 = 3.94 шт.

Действительная производительность линии определяется по формуле:

Р`_год = у · n · Т_д · 60 / t · k,

где у - принятая величина загрузки одной ванны, кг ; n - количество одинаковых ванн; Т_д -действительный фонд работы оборудования, час; t - время обработки одной загрузочной единицы, мин; k - коэффициент, учитывающий время на подготовительные и заключительные операции.

Р`_год = 104 · 4 · 3800 · 60 / 39 · 1,05 = 2316190 кг/год.

Коэффициент загрузки оборудования:

К_загр = Р_год/Р`_год,

где Р_год - установленная производственная программа линии, кг/год; Р`год - рассчитанная производительная программа линии, кг/год.

К_загр = 2283478 / 2316190 = 0,986.

8.1 Расчет размеров ванн

Определение размеров стационарных ванн

Внутреннюю длину стационарных ванн определяют по формуле:

L_в = L₁ + 2L_2,

где L₁ - длина подвески, мм; L₂ - расстояние между внутренней торцевой стенкой ванны и подвеской, мм,

L_в = 2200 + 2 · 100= 2400 мм.

Внутреннюю ширину стационарных ванн определяют по формуле:

W_в = n_k•w₁ +2 •w₂

где w₁ -расстояние между штангами анодных штанг, составляет 600 мм; w₂ - расстояние между стенкой ванны и анодом , мм; n_k -количество катодных штанг, мм,

b_в = 2 · 600+ 2 · 50 = 1300 мм.

Высоту ванны определяем по формуле [6]:

h_в = h₁ + h₂ + h₃ + h₄,

где h₁ - высота от дна ванны до подвески, мм; h₂ -высота подвески, мм; h3 - глубина погружения подвески в электролит, м; h₄ - запас (расстояние от зеркала электролита до верхнего обреза ванны), м.

Принимаем h₁ равной 200 мм, h₂ - равной 500 мм. В свою очередь высоту h₃ можно принять равной 50 мм. Обычно h₄ рекомендуют принимать в пределах 0,1 - 0,3 м.

h_в = 200 + 1800 + 50 + 200 = 2250 мм.

В соответствии с ГОСТ 23738 - 85 принимаем размер ванны цинкования, мм: 2500 x 1400 x 2500.

8.2 Расчет количества авто операторов

Количество автооператоров определяем по формуле:

Z_авт = K · t_авт / R,

где К - коэффициент, учитывающий обратные и прямые ходы автооператора. Для автоматической линии с жестким циклом принимаем К = 1,2; t_авт - время работы автооператора за цикл, сек; R - ритм выдачи приспособлений, сек.

В свою очередь время работы автооператора за цикл:

t_авт = t_гор.+ t_верт + t_остан.,

где t_гор. - суммарное время горизонтальных перемещений автооператора, сек; t_верт - суммарное время вертикальных перемещений автооператора, сек; t_ост - время остановок автооператора у ванн, сек.

Суммарное время горизонтальных перемещений автооператора:

t_гор = L ·(n+1) / V_гор,

где L - шаг между ваннами, м; n - общее количество ванн, шт.

V_гор - скорость горизонтального перемещения, м/с

t_гор = 1,2 · (17+1) / 0,2 = 108 сек.

Суммарное время вертикальных перемещений автооператора:

t_верт = 2H · (n+1) / V_верт,

где Н - высота подъема подвески, м; V_верт - скорость вертикального перемещения автооператора, м/с.

t_верт = 2 · 1,4 (17+1) / 0,10 = 504 сек.

Суммарное время остановок автооператора у ванн:

t_ост = n_{1 ·} t₁,

где n₁ - количество ванн, у которых останавливается автооператор; t₁ - время задержки автооператора у ванн; принимаем время t₁ = 15 сек.

t_ост = 17 ·15 = 255 сек.

Тогда время работы автооператора за цикл:

t_авт = 108 + 504 + 255 = 867 сек.

n _авт = 1,2 · 867 / 594 = 1,75 шт.

Принимаем 2 автооператора на линии цинкования.

8.3 Расчет размеров автоматной линии

Длину автооператорной линии определяют по формуле:

L = N*·L_вн + l_с + l₃ + l_з.с + n_1·l₁ + n_2·l₂ + l₀, мм,

где N - число ванн одного типоразмера; L_вн - внутренняя ширина ванны одного типоразмера, мм; l_с - внутренняя ширина сушильной камеры, мм; l_з - ширина загрузочно - разгрузочной стойки, мм; l_з.с -зазор между сушильной камерой и загрузочно - разгрузочной стойкой, мм; n₁ - число сопряжений ванн без бортовых отсосов; l₁- зазор между стенками ванн без бортовых отсосов, мм; n₂ - количество односторонних бортовых отсосов; l₂ - зазор между стенками ванн с односторонними бортовыми отсосами, мм; l₀ - зазор между стенками ванн с двусторнними бортовыми отсосами, мм.

L = 5•1400 +12· 1250 + 300 + 300 + 200 + 9 · 390 + 2 · 290 + 6•160 = 27850 мм.

Принимаем длину линии 28000 мм.

Ширина линии определяется по формуле:

B = L_вн + B₁+ B₂,

где L_вн - внутренняя длина ванны, мм, В₁ - расстояние от внутренней части стенки ванны до наружной плоской опорной стойки, мм; В₂ - расстояние от внутренней части стенки ванны до наружной плоской площадки обслуживания, мм.

В = 2500 + 655 + 1165 = 4320 мм.

Высота линии принимается в зависимости от внутренней высоты ванн, способов обработки изделий и типа автооператора.

Для ванн с высотой 2500 мм при обработке изделий на подвесках высота линии принимается Н = 5400 мм.

9. Материальные расчеты

9.1 Расчет расхода химикатов

Для процессов нанесения покрытий расход химикатов вызывается главным образом уносом раствора поверхностью деталей барабанов при выгрузке из ванны и неизбежными потерями при фильтрации, корректировании и чистке ванны, а также потерями за счет уноса раствора в вентиляционные каналы.

Унос раствора поверхностью деталей является основной статьёй расхода химикатов и зависит от вязкости электролита и от конфигурации деталей. Согласно [12 с. 255] унос электролита поверхностью деталей при обработке насыпью без установки ванн улавливания 0,3 л/м² , с улавливанием 0,12 л/м².

Унос электролита при цинковании составляет 0,12 л/м².

Унос раствора электролитического обезжиривания равен 0,30 л/м².

Унос раствора травления равен 0,30 л/м².

Унос раствора осветление - пассивация 0,12 л/м².

Норма расхода химикатов [10]:

Q_x = С _· n_p,

где С - содержание каждого компонента в растворе, г/л; n_p - норма расхода электролита, л/м².

Для операции цинкования удельный расход химикатов составит:

Q_ZnO = 12 · 0,12 = 1,44 г/м².

Q_NaOH = 100 · 0,12 = 12,00 г/м².

Q_блеск. = 1 · 0,12 = 0,12 г/м².

Для операции обезжиривания удельный расход химикатов составит:

Q_NaOH = 35 · 0,30 = 10.50 г/м².

Q_Na2CO3 = 35 · 0,30 = 10.50 г/м².

Q_Na3PO4 = 50 · 0,30 = 15,00 г/м².

Q_{NaSiO3·12H2O} = 10 · 0,30 = 3,00 г/м².

Для операции травления удельный расход химикатов составит:

Q_H2SO4 = 200 · 0,30 = 60,00 г/м².

Q_инг = 3 · 0,30 = 0,90 г/м².

Для операции осветления-пассивирования удельный расход химикатов:

Q_Na2Cr2O7 = 30 · 0,12 = 3,60 г/м².

Q_HNO3 = 6 · 0,12 = 0,72 г/м².

Q_Na2S04 = 10 · 0,12 = 1,20 г/м².

Годовой расход химикатов Q , кг определяется произведением годовой программы по поверхности покрытия с учетом брака на норму удельного расхода химикатов в г/м².

Годовой расход химикатов на цинкование:

Q_Zno = 202000 · 1,44 · 10^-3 = 291 кг.

Q_NaOH =202000 ·12,00 · 10^-3 = 2424 кг.

Q_блеск. = 202000 · 0,12 · 10^-3 = 24,24 кг.

Годовой расход химикатов на обезжиривание:

Q_NaOH = 202000 · 10,50 ·10^-3 = 2121 кг.

Q_Na2CO3 =202000 · 10,50 · 10^-3 = 2121 кг.

Q_Na3PO4 = 202000 · 15,00 · 10^-3 = 3030 кг.

Q_{NaSiO3·12H2O} = 202000 · 3,00 · 10^-3 = 606 кг.

Годовой расход химикатов на травление:

Q_H2SO4 = 202000 · 60,00 · 10^-3 = 12120 кг.

Q_инг = 202000 · 0,90 · 10^-3 = 182 кг.

Годовой расход химикатов на осветление - пассивирование:

Q_Na2Cr2O7 = 202000 · 3,60 · 10^-3 = 727 кг.

Q_HNO3 = 202000 · 0,72 · 10^-3 = 145 кг.

Q_Na2SiO3 = 202000 · 1,20 · 10^-3 = 242 кг.

Расход химикатов на составление электролитов и растворов определяем на основании объемов и количества ванн, а также рецептурного содержания отдельных компонентов:

Цинкование:

M_ZnO = 12 · 8050 · 1 / 1000 = 96,6 кг.

M_NaOH = 100 · 8050 · 1 / 1000 = 805 кг.

M_блеск. = 1 · 8050 · 1 / 1000 = 8,05 кг.

Обезжиривание:

M_NaOH = 35 · 8050 · 1 / 1000 = 281,75 кг.

M_Na2CO3 = 35 · 8050 · 1 / 1000 = 281,75 кг.

M_Na3PO4 = 50 · 8050 · 1 / 1000 = 402,50 кг.

M_Na2SiO3 = 10 · 8050 ·1 / 1000 = 80,50 кг.

Травление:

M_H2SO4 = 200 · 6563 · 1 / 1000 = 1312,60 кг.

M_инг = 3 · 6563 · 1 / 1000 = 19,70 кг.

Осветление - пассивирование:

M_Na2Cr2O7 = 30 · 6563 · 1 / 1000 = 196,89 кг.

M_HNO3 = 6 · 6563 · 1 / 1000 = 39,38 кг.

M_Na2SO4 = 10 · 6563· 1 / 1000 = 65,63 кг.

Результаты расчета сведены в таблицу 5.

Таблица 5 Ведомость расхода химикатов на процесс цинкования

Операция	Компоненты раствора	Концентра-ция, г/л	Удельный расход, г/м2	Годовая програм- ма, м2	Расход химикатов, кг
					На про-грамму	На пер-вонач. загрузку
Цинко-вание	ZnO NaOH Блескообр.	12 100 1	1,44 12,00 0,12	202000	291 2424 24	96,6 805 8,05
Обезжи- ривание	NaOH Na2CO3 Na3PO4 NaSiO3* 12H2O	35 35 50 10	10.50 10.50 15,00 3,00	202000	2121 2121 3030 606	821,75 821,75 402,5 80,50
Травление	H2SO4 Ингибитор	200 3	60,00 0,90	202000	12120 182	1312,60 19,70
Осветление -пассиви-рование	Na2Cr2O7 HNO3 Na2SO4	30 6 10	3,60 0,72 1,20	202000	727 145 242	196,89 39,38 65,63

9.2 Расчет расхода анодов

Расход анодов на годовую программу:

m_{a =} Р_год · с_Zn · д · 10^-6(1+к_шл+к_отх),

где Р_год - годовая программа отделения цинкования с учетом брака, м² /год; д - толщина покрытия, мкм; с_Zn - плотность металла, кг/м²; 10^-6 - коэффициент перевода м в мкм; к_шл - коэффициент образования шлама, который можно принять равным 0,03; к_отх - коэффициент выхода отходов за счет нерастворимых остатков, угара металла при отливе анодов и т. п. принимаем равным 0,05 .

m_a = 202000 · 7140 · 10 ·10^-6(1+0.03+0.05) = 15580 кг.

Расход цинковых анодов на первоначальную загрузку оборудования в период пуска:

m_пуск = К₁ · L_вн · К₂ · h_в · д_а ·с_Zn · n_а,

где К₁ = 0,6 - коэффициент отношения суммарной ширины анодов к внутренней длине ванны L_вн; К₂ = 0,8 - коэффициент отношения длины анода к глубине ванны h_в; с_Zn - плотность материала анода, кг/м³; д_а - толщина анода, м; n_а - количество анодных штанг.

m_пуск = 0,6 · 1,0 · 0,8 · 1,0 · 0,01 · 7140 · 3 = 102,816 кг (на одну ванну).

На линию m_пуск^У = 102,816 · 4 = 411,264 кг.

Расход стальных анодов на годовую программу :

m_a = Р_год · К_расх,

где К_расх - норма расхода нерастворимых анодов, кг/м².

m_a = 202000 · 1,2 ·10^-3 = 242 кг.

Расход стальных анодов на первоначальную загрузку оборудования в период пуска:

m_пуск = 0,6 · 1,0 · 0,8 · 1,0 · 0,005 · 7800 · 3 = 56,16 кг.

Таблица 6 Ведомость расчета расхода анодов

Операция	Материал	Толщи-на слоя покры-тия, мкм	Норма расхода, г/м2	Годовая программ-ма, м2	Расход анодов, кг
					На про-грамму	На перво-начальную загрузку
Цинкование	Цинк	10	0,077112	202000	15580	411,264
Электрохим обезжири-вание	Сталь	-	1,20	202000	242	56,16

9.3 Расчет расхода воды

Расход воды на промывные операции, приготовление электролита и другие нужды по отделению цинкования

Цеха металлопокрытий потребляют большое количество воды. Вода расходуется в основном:

- на промывку деталей после различных технологических операций;

- на охлаждение электролитов и выпрямителей тока;

- на составление и восполнение растворов для различных технологических операций;

- на промывку оборудования:

- на помывку панелей, пола и лестничных трапов (траповые воды).

Расход воды на промывку деталей определяется согласно ГОСТ 9.305-84:

Q _пр = n• g · P _г · (a · K_о)^1/N,

где Q _пр - расход воды на промывку, л/ч; n -количество промывочных ванн с самостоятельной подачей воды; g -удельный вынос (унос) раствора из ванны поверхностью деталей, л/м², P _час - программа часовая с учетом брака, 0,054 м²/ч, а- коэффициент, учитывающий наличие ванн улавливания, К_о - кратность разбавления, N- количество ступеней (ванн) промывки в каскаде.

К_о = С_о/С_ПДК,

где С_ПДК - ПДК основного компонента в последней ступени промывки согласно ГОСТ 9.305-84; С_о - концентрация основного компонента в техно-логической ванне.

Расход воды на промывку после электрохимического обезжиривания

Q _пр = 2• 0,3 · 54 · (50/0,1)^1/3= 257,2 л/ч

По 0,13 л/ч в ванны теплой и холодной промывки

Расход воды на промывку после химического травления

Q _пр = 1• 0,3 · 54 · (200/0,1)^1/2= 724,5 л/ч.

В ванну холодной промывки.

Расход воды на промывку после цинкования

Q _пр = 1• 0,12 · 54 · (0,4 · 100/0,1)^1/2 = 129,6 л/ч

В ванну холодной промывки.

Расход воды на промывку...