- •1 Аннотация
- •2 Введение
- •3 Технико- экономическое обоснование
- •4 Технологическая часть
- •4.1. Выбор толщины покрытия
- •4.2 Выбор и обоснование технологической схемы гальванопокрытия, вида применяемых электролитов
- •4.3 Выбор и обоснование основного оборудования для гальванопокрытия
- •4.4 Расчёт фондов времени работы оборудования
- •4.5 Материальные расчеты
- •4 Список литературы
- •Содержание
4.5 Материальные расчеты
4.5.1 Расчет расхода химикатов
Общий расход химикатов складывается из расхода на единовременное приготовление электролита, расхода на работу .
Расчёт расхода химикатов на единовременное приготовление электролита.
Расход химикатов на приготовление считается по верхнему пределу концентрации
mхим, кг, и рассчитывается по формуле
mхим= , (4.23)
где С – концентрация химиката, г/л;
nв – число ванн, шт.;
Расход химикатов для ванны матового никелирования
m(NiSO4∙7Н2О) = = 750 кг
m(Na2SO4∙10Н2О) = = 300 кг
m(H3BO3) = = 120 кг
m(NiCl2∙6Н2О) = = 60кг
Расчёт расхода химикатов на работу за год
Расчет расхода химикатов на работу Qхимкг/год, рассчитывается по формуле
Qхим = , (4.24)
где rхим = 0,115 – удельная норма расхода электролита;
Ccр – средняя концентрация, г/л;
S – годовая программа по покрываемой поверхности; м2.
Расчет расхода химикатов на работу для ванны матового никелирования
Q(NiSO4∙7Н2О) = = 750 кг/год
Q(Na2SO4∙10Н2О) = = 314 кг/год
Q(H3BO3) = = 113 кг/год
Q(NiCl2∙6Н2О) == 47 кг/год
Расход блескообразующих добавок на разложение
m=, (4.25)
где g– расход блескообразующей добавки, г;
I– ток, подаваемый на ванну, А.
m(хлорамин Б)== 49 кг ( 98 кг для двух автоматов)
m(1,4-бутилдиол)==26.5 кг (53 кг для двух автоматов)
m(прогресс)==10 кг (20 кг для двух автоматов)
Аналогично рассчитываем для других ванн с учетом норм расхода электролита для различных операций.
Таблица 3 Расход химикатов на никелирование для двух автоматов.
Наимено- вание операции |
Компонен-ты |
Концент- рация, г/л |
Удель- ный расход, л/м2 |
Расход химикатов, кг | ||||
На при-готов-ление |
На рабо-ту |
Всего |
|
итого | ||||
Химичес-кое Обезжири-вание |
Обезжириватель «КХ» |
5-7 |
0,4 |
14 |
73 |
|
|
|
Электро-химичес-кое Обезжири-вание |
Обезжириватель «КХ» NaOH |
5-7
5-10 |
0,4 |
21
30 |
73
91 |
|
|
|
Активация |
H2SO4
|
60-80
|
0,4 |
158 |
849 |
|
|
|
Никелиро-вание матовое |
NiSO4∙7Н2О Na2SO4∙ ∙10Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O |
180-250 80-100
25-40 7-20 |
0,115 |
1500 600
240 120 |
750 314
113 47 |
|
|
|
Никелиро-вание блестящее
|
NiSO4∙7Н2О H3BO3 NiCl2*6H2O Хлорамин Б 1,4-бутилдиол “Прогресс” |
250-300 30-40 10-15 1-2 0,2-3,0 0,1-0,2 |
0,115 |
900 120 75 6 9 0.6 |
959 122 78 5 5.6 0.5 |
|
|
|
4.5.2 Расчет расхода анодов
Расход анодов складывается из расхода на единовременную загрузку и расхода на покрытие.
Расчет расхода анодов для электрохимического обезжиривания
Используем листовые катоды (нержавеющая сталь марки 12Х18Н9Т). Принимаем соотношение Sa:Sk, как 1:1. Выбираем параметры катода ширина 130, высота 1150, толщина 5.
Количество анодов , необходимое для ванны электрохимического обезжиривания:
, (4.26)
(шт)
По конструкционным соображениям принимаем 4 шт.
Объем одного анода :
, (4.27)
дм3
Масса анодов :
, (4.28)
где - плотность стали,= 7,86 г/cм3.
г = 23,5 кг ( 47 кг для двух автоматов)
Расход анодов для двух автоматов на работу :
, (4.29)
где - норма расхода нерастворимых катодов [ГОСТ 5582-50],= 1,27 г/м2.
154 кг
Расчет расхода анодов для ванн никелирования
Применяем растворимые кусковые аноды, помещенные насыпью в перфорированные титановые корзины. Никелевые листы рубятся на куски размерами 25*25*10 мм. Титановые корзины обычно имеют размеры: ширина 100-300 мм, толщина 50мм и длина, равная рабочей высоте катодной подвески. Корзины имеют титановый каркас из проволоки или пластин с приваренной к нему титановой сеткой или перфорированными листами. Корзина снаружи обёртывается хлориновой тканью или бельтингом. Соотношение Sa:Sк нужно брать 1:1-2:1 или меньше, учитывая высокую развитость реакционной способности анодных кусков принимаемSa:Sк=2:1 ,
Sк = 73,8дм2
Принимаем корзину: 1150*130*50 (рабочая высота 1100 мм)
Объем корзины :
дм3
Количество корзин вычисляется по формуле
, (4.30)
шт
По техническим соображениям принимаем 10 корзин.
Масса одной корзины с анодами ,кг, вычисляется по формуле
, (4.31)
где ρ – насыпная плотность никеля, кг/дм3[практические замеры].
кг
Масса всего никеля в ваннах матового никелирования, кг, вычисляется по формуле
, (4.32)
кг
Для двух автоматов
m=820*2=1640 кг
Расход анодов на работу :
, (4.33)
Расчет расхода анодов на никелирование матовое
кг ( 3952 кг для двух автоматов)
Расчет расхода анодов на никелирование блестящее
кг ( 820 кг для двух автоматов)
кг (2166 кг для двух автоматов)
Таблица 4 Расход анодов для двух автоматов
Наименование операции |
На загрузку, кг |
На работу, кг |
Всего, кг |
Электрохимическое обезжиривание |
47 |
154 |
201 |
Никелирование матовое |
1640 |
3952 |
5592 |
Никелирование блестящее |
820 |
2166 |
2986 |
4.5.3 Расчет расхода воды
Вода расходуется на приготовление растворов, работу, электролиз, испарение.
4.5.3.1Расход воды на приготовление g, кг, рассчитывается по формуле
g(H2O)=Vэл-та · γ · nв – gхим (4.34)
где γ – плотность раствора, кг/дм3;
gхим – суммарная масса всех химикатов на приготовление
электролита, кг.
Расход воды на приготовление раствора для ванны химического обезжиривания:
Плотность раствора, г/л, рассчитывается по формуле
(4.35)
где в– плотность воды, г/см3;
mi – концентрация компонента, г/л;
di – плотность компонента, г/см3;
г/см3
gхим= 7*986 = 6.9 кг
кг = 1м3( 2 м3 для двух автоматов)
Расход воды на приготовление раствора для ванны электрохимического обезжиривания
г/см3
gхим= 17 *1500 =25,5 кг
=1,5 м3( 3м3для двух автоматов)
Расход воды на приготовление раствора для ванны активации
г/см3
gхим= 80*986 =78,9 кг
=0,9 м3 ( 1,8 м3 для двух автоматов)
Расход воды на приготовление раствора для ванны матового никелирования
г/см3
gхим= 410*1500=615 кг
=2,3 м3(4,6 м3для двух автоматов)
Расход воды на приготовление раствора для ванны блестящего никелирования
г/см3
gхим= 365*1500=547,5 кг
= 2,1 м3( 4,2 м3для двух автоматов)
4.5.3.2 Расход воды на работу
Расчитывается только для первой ванны (химического обезжиривания), так как в неё детали поступают сухие, а выходят смоченные водой Раб, кг, расчитывается по формуле
Раб= ρSγ-( с1+с2+с3….+сn) ρS(4.36)
где ρ- норма выноса электролита 1м2обрабатываемых деталей , л/м2
S– годовая программа ванны, м2
( с1+с2+с3….+сn)- концентрация компонентов, кг/л.
Раб=0,2303181,003-0,0070,230318 =6039 кг/год =6,04 м3/год
4.5.3.3 Расход воды на испарение с зеркала электролита
g’(H2O) = 45,6 · (P1–P2) ·CВ ·Fэл ·TД ·n/Pб, (4.37)
где Р1 - давление насыщенного пара при температуре электролита, [9]
P2 = , (4.38)
X = 70 – степень влажности воздуха;
CВ – частный коэффициент, зависящий от скорости движения воздух
(для гальванических цехов равен 0,71);[4].
Рб = 1013гПа, барометрическое давление
Fэл – поверхность зеркала электролита, м2;
Fэл = Lвнутр·Wвнутр (4.39)
Дл ванны матового никелированя (500С )
P2 = = 93,3 гПа
Fэл =0 ,61 · 1,7 = 1,04 м2;
g’(H2O)==10765,2 л/год = 11м3/год
(22 м3/год для двух автоматов)
Для ванны блестящего никелирования(550С)
. P2 = = 87,5 гПа
g’(H2O)= =5084 л/год = 5,1 м3/год
(10,2 м3/год для двух автоматов)
Аналогично расчитываем для остальных ванн. Результаты сводим в таблицу.
4.5.3.4Расход воды на электролиз
Расход воды на электролиз , кг рассчитывается по формуле
=I∙Тэф∙qн О∙Вт∙Кз∙n/100000 (4.40)
где I – сила тока на ванну,А
Тэф- эффективный фонд времени работы ванны, ч
qн О- электрохимический эквивалент воды, г/А∙ч
Вт- выход по току для электролиза воды, %
Кз- коэффициент загрузки ванны
n- число однотипных ванн
Для электрохимического обезжиривания
Кз=(70/609) · 100% =11,5%=0,115
=221∙3814∙0,336∙100∙0,115∙1/100000=32,6 л/год = 0,033 м3/год
(0,066 м3/год для двух автоматов)
4.5.3.5 Расход воды на унос с выделяющимися газами
Объём выделяющегося за год водорода и кислорода , ,, л/год, приведённый к нормальным
условиям рассчитывается по формуле
(4.41)
де - сила тока, А;
- эффективный годовой фонд работы ванны, ч;
- электрохимический эквивалент водорода, л/А∙ч;
- выход по току для водорода (в долях);
- число однотипных ванн;
- коэффициент использования ванны (в долях).
Объём газов при условиях электролиза , л/год, рассчитывается по формуле
(4.42)
где =101,3кПа.;
= 2730К;
- давление газов при условиях электролиза за вычетом давления водяных
паров при температуре процесса.
Расход воды с уходящими газами , кг/год, рассчитывается по формуле
(4.43)
где - удельная масса насыщенного водяного пара на 1 л газа над раствором
при температуре процесса, кг/м3.
Для ванны электрохимического обезжиривания( 250C)
= 40,5 м3/год
= 20,3 м3/год
0= 40,5+20,3=60,7 м3/год
,
при 25 0С= 0,02304 кг/м3[9]
(3,14 кг/год для двух автоматов)
Для ванны матового никелирования (50 0C)
Ni2++ 2e=NiBT= 95-98%
2H+ + 2e = H2 BT= 5-2%
= 35.7 м3/год
,
при 50 0С= 0, 083 кг/м3[9]
(7.7 кг/год для двух автоматов)
Для ванны блестящего никелирования ( 55 0С)
= 17,4 м3/год
,
при 55 0С= 0, 104 кг/м3[9]
(4,8 кг/год для двух автоматов)
Расход воды на промывки
Одноступенчатая промывка после ванны химического обезжиривания
Удельный расход воды в ванне промывки :
, (47)
где - удельный вынос раствора с поверхности деталей [4];
- концентрация наиболее опасного компонента в ванне, г/л;
- концентрация наиболее опасного компонента в промывочной воде, г/л.
Годовой расход воды в ванне промывки :
(48)
л/м2
л/год
Каскадная (теплая и холодная) противоточная промывка после ванны электрохимического обезжиривания
Удельный расход воды при таком типе промывки :
(49)
л/м2
Годовой расход воды при таком типе промывки
, (50)
л/год
Холодная каскадная противоточная промывка после ванны активации
Удельный расход воды при таком типе промывки
(51)
л/м2
Годовой расход воды при таком типе промывки
, (52)
л/год
Ванна улавливания после блестящего никелирования
Удельный расход воды в ванне улавливания :
, (53)
где Св.у. - концентрация в ванне улавливания, г/л.
Годовой расход воды в ванне улавливания :
, (54)
л/м2
л/год
Зная объем воды в ванне улавливания, рассчитываем сменяемость этой ванны m=g/Vв.у. (55)
m=4869/1737=3 раза
Холодная каскадная противоточная промывка после ванны улавливания
л/год
Ванна теплой промывки перед сушкой
л/год
Таблица 5 Общий расход воды
Наименование |
Расход воды, л/год. | |||||
операции |
на приготовление |
на работу |
на испарение |
на электролиз |
на унос с газами |
на промывку |
| ||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Обезжиривание химическое |
1182 |
9580 |
6483 |
27 |
- |
- |
Промывка |
- |
- |
- |
- |
- |
85928 |
Электрохимическое обезжиривание |
1206 |
- |
6483 |
|
9 |
- |
Промывка (каскад) |
- |
- |
- |
- |
- |
29766 |
Активация |
1073 |
- |
2191 |
- |
- |
- |
Промывка (каскад) |
- |
- |
- |
- |
- |
48608 |
Никелирование матовое |
5329 |
- |
26973 |
- |
1,3 |
- |
Никелирование блестящее |
2838 |
- |
12739 |
- |
3,8 |
- |
Улавливание |
- |
- |
- |
- |
- |
4869 |
Промывка (каскад) |
- |
- |
- |
- |
- |
51557 |
Промывка |
- |
- |
- |
- |
- |
1719 |
Итого: |
11628 |
9580 |
54869 |
|
14,1 |
222447 |
3.7 Энергетические расчеты
3.7.1 Расчет напряжения на ванне
Ванна электрохимического обезжиривания
Напряжение на ванне , вычисляется по формуле
, (56)
где - потенциал анода, В;
(57)
потенциал равновесного кислородного электрода в растворе обезжиривания, В;
- перенапряжение выделения кислорода, В;
- потенциал катода, В;
, (58)
- потенциал равновесного водородного электрода в растворе обезжиривания, В;
перенапряжение выделения водорода, В;
- падение напряжения в электролите, В;
Падение напряжения в электролите , В, вычисляется по формуле
, (59)
средняя плотность тока, А/дм2, ;
межэлектродное расстояние, см;
удельная электропроводность, Ом-1 см-1;
Кг – коэффициент газонаполнения;
- падение напряжения в электродах, В;
(этой составляющей можно пренебречь, так как она незначительна)
Так как на катоде идет процесс выделения H2, а на аноде O2, то разность потенциалов катода и анода есть напряжение разложения воды при температуре обезжиривания 600С.
Напряжение разложения воды при температуре 60С , вычисляется по формуле
, (60)
где напряжение разложения воды при 250С, В;
=1,23 В;
- изменение энтропии при стандартных условиях, ;
z – число электронов;
F – число Фарадея, Кл;
Энтропия для этой реакции при стандартных условиях
, (61)
При 600С: В
Перенапряжение выделения водорода:
, (62)
где a и b - константы в уравнении Тафеля;
j - плотность тока, А/ см2;
j=1,53 А/дм2
для стали ;[10].
В
Перенапряжение выделения кислорода:
, (63)
где a и b - константы в уравнении Тафеля;
j - плотность тока, А/ дм2.
для стали ;[10].
В
Так как с увеличением температуры на 10С перенапряжение уменьшается на 2 мВ, то при 600С:
В
В
, (64)
В
Расчет удельной электропроводности.
, (65)
Эквивалентная концентрация компонентов раствора вычисляется по формуле
, (66)
,
,
.
Суммарная концентрация компонентов:
Эквивалентная электропроводность для каждого из компонентов раствора при суммарной концентрации при 250С
156,3 Ом-1г-экв∙см2 [1];
45,5 Ом-1г-экв∙см2 [1];
72 Ом-1г-экв∙см2 [1].
Для 600С:
156,3∙[1+0,019(60-25)]=260,24 Ом-1г-экв∙см2
45,3∙[1+0,02(60-25)]=77,01 Ом-1г-экв∙см2
72∙[1+0,02(60-25)]=122,4 Ом-1г-экв∙см2
Удельная электропроводность отдельных компонентов в смешанно растворе вычисляется по формуле
, (67)
Ом-1∙м-1
Ом-1∙м-1
Ом-1∙м-1
Удельная электропроводность раствора вычисляется по формуле:
+(68)
0,16+0,04+0,01=0,21 Ом-1∙м-1
Падение напряжения в электролите
=1,2 В
Падение напряжения в электродах и контактах
0,15[(0,5-(-0,5)+1,2]=0,33 В
Напряжение на ванне электрохимического обезжиривания:
2,2+1,4+0,33=3,93 В
Расчет напряжения на ванне матового никелирования
Напряжение на ванне матового никелирования:
, (69)
для растворимых анодов можно воспользоваться величинами поляризаций, т. е.
По поляризационным кривым нашли:
φк=-0,72 В [11];
φа=0,3 В [11];
15 см.
,
,
,
,
,
Эквивалентная электропроводность для каждого из компонентов раствора при суммарной концентрации при 250С
15,07 Ом-1г-экв∙см2[1];
66,2 Ом-1г-экв∙см2[1];
17,5 Ом-1г-экв∙см2[1];
36,7 Ом-1г-экв∙см2[1].
Для 500С:
15,07∙[1+0,02(50-25)]=22,61 Ом-1г-экв∙см2
66,2∙[1+0,02(50-25)]=99,3 Ом-1г-экв∙см2
17,5∙[1+0,0164(50-25)]=24,68 Ом-1г-экв∙см2
36,7∙[1+0,02(50-25)]=55,05 Ом-1г-экв∙см2
Удельная электропроводность отдельных компонентов в смешанно растворе вычисляется по формуле
,
=0,03 Ом-1∙м-1
=0,02 Ом-1∙м-1
=0,04 Ом-1∙м-1
=0,06 Ом-1∙м-1
Удельная электропроводность раствора вычисляется по формуле:
+
0,03+0,02+0,04+0,06=0,15 Ом-1∙м-1
Падение напряжения в электролите
,
=1,53 В
Падение напряжения в контактах
0,15[(0,3-(-0,72)+1,53]=0,38 В
Падение напряжения в перфорации корзины:
(70)
=0,6 В
Напряжение на ванне матового никелирования:
=(0,3-(-0,72))+1,53+0,4+0,6=3,55 В
Расчет напряжения на ванне блестящего никелирования
Напряжение на ванне блестящего никелирования:
, (71)
φк=-0,76 В [11];
φа=0,35 В [11];
15 см.
,
,
,
,
0,11 Ом-1∙м-1
Падение напряжения в электролите
,
=4,8 В
Падение напряжения в контактах
0,15[(0,35-(-0,76)+4,8]=0,9 В
Падение напряжения в перфорации корзин:
=1,5 В
Напряжение на ванне блестящего никелирования:
(0,35-(-0,76))+4,8+0,9+1,5=8,31 В
3.7.2 Расчет джоулева тепла
Ванна электрохимического обезжиривания
, (72)
где напряжение на штангах ванны, В;
тепловое напряжение разложения для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;
выход по току для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны;
Тепловое напряжение
, (73)
где изменение энтальпии для данного электрохимического превращения;
, (74)
Пересчитываем при 600С по формуле
,
где - теплоемкость веществ, ккал/г;
- молекулярная вес вещества, г;
- разность температур, К;
- энтальпия вещества при 298С;
Для воды: ,
Для водорода: ,
Для кислорода: .
Изменение этальпии системы:
, (75)
Тепловое напряжение разложения воды:
Количество теплоты, выделившееся за 1час работы:
3,6∙162∙1(3,93-1,33∙1)=1516 кДж/ч
Расчёт джоулева тепла ванн никелирования
В электрохимической системе ванн никелирования происходят следующие процессы:
К: Ni2+ +2е → Ni Вт=95-98%
2H+ + 2е → Н2 Вт=2-5%
А: Ni – 2е → Ni2+ Вт=100%
Σ: а) Ni2+ ↔ Ni2+ В≈В=95-98%
б) Н2SO4+Ni → NiSO4+H2 Вт=2-5%
Расчёт джоулева тепла гальванической ванны Qт, кДж/час, ведём по формуле
(76)
где J – сила тока на ванне, А;
UВ – напряжение на гальванической ванне, В;
Ет – тепловое напряжение разложение для электрохимических превращений на электродах гальванической ванны,В.
Ет=, (77)
где ΔН – изменение энтальпии реакции, кДж/моль.
Для реакции Н2SO4+Ni → NiSO4+H2
ΔНН2SO4= -811,9 кДж/моль
ΔНNiSO4= -891,4 кДдж/моль
ΔНNi=0; ΔНН2=0 [1]
ΔНр-ции=Σ ΔНкон- Σ ΔНисх (78)
ΔНр-ции=-891,4+811,9=-79,5 кДж/моль
Ет==0,41
для ванны матового никелирования
Qт = 3,6∙144∙1(3,55-0,41∙0,05)=1830 кДж/ч
для ванны блестящего никелирования
Qт = 3,6∙371∙1(8,31-0,41∙0,05)=11071 кДж/ч