Автоматическая линия цинкования в барабанах

где  - электропроводность электролита;

i_cp – средняя плотность тока, определяемая по формуле:

, (4.17)

где i_к, i_а – катодная и анодная плотности тока;

L_ср – среднее расстояние до деталей, определяется по формуле:

L_ср = (L_д + L_б) / 2, (4.18)

где L_б – расстояние от анода до ближних деталей в барабане;

L_д - расстояние от анода до центра барабана.

L_д = W_шт / 2, (4.19)

L_б = (W_шт / 2) - r_бар, (4.20)

где W_шт – расстояние между анодными штангами;

r_бар – радиус описанной окружности барабана.

, (4.21)

где  - толщина стенки барабана;

 - степень перфорации барабана.

Боковая перфорированная поверхность барабана, прогруженная в электролит:

S_бар = 6  L_бар  W_гр  2/3, (4.22)

где L_бар – длинна барабана;

W_гр – ширина грани барабана.

Ванна цинкования:

L_бар=0,61 м; W_гр=0,17 м; =0,2; =0,01 м; =0,01; =0,02; =30 Ом^-1м^-1; S_ез=2,5 м²; E_a=–1,39 В; E_k=–1,6 В; W_шт=0,6 м; r_бар=0,17 м; i_к=100 А/м²; i_а=150 А/м².

S_бар = 6  0,61  0,17 2/3 = 0,4148 м²,

= 122,47 А/м²,

L_д = 0,6 / 2 = 0,3 м,

L_б = (0,6 / 2) – 0,17 = 0,13 м,

L_ср = (0,3 + 0,13) / 2 = 0,215 м,

I = 1,05  122,47  2,5 = 321,5 А,

= 0,88 В,

=1,29 В,

U= (1 – 0,02)  [–1,39 + 1,6 + (1 + 0,01)  0,88 + 1,29] = 2,34 В.

Ванна электрохимического обезжиривания:

L_бар=0,61 м; W_гр=0,17 м; =0,2; =0,01 м; =0,2; =0,02; =40 Ом^-1м^-1; S_ез=2,5 м²; E_a=–1,58 В; E_k=–0,9 В; W_шт=0,6 м; r_бар=0,17 м; i_к=500 А/м²; i_а=150 А/м².

S_бар = 6  0,61  0,17 2/3 = 0,4148 м²,

= 273,86 А/м²,

L_д = 0,6 / 2 = 0,3 м,

L_б = (0,6 / 2) – 0,17 = 0,13 м,

L_ср = (0,3 + 0,13) / 2 = 0,215 м,

I = 1,05  273,86  2,5 = 718,88 А,

= 1,47 В,

=2,16 В,

U= (1 – 0,02)  [–1,58 + 0,9 + (1 + 0,2)  1,47 + 2,16] = 3,18 В.

На основании проведённых расчётов подбираем источники постоянного тока [23]:

1. для ванны цинкования – выпрямитель типа ТЕ1-400/12Т модификации 2;

2. для ванны электрохимического обезжиривания – выпрямитель ТЕР-800/12Т модификации 2.

4.4 Тепловой расчёт

4.4.1. Тепловой расчет нагревающихся ванн

Определение расхода теплоты на разогрев ванны. Количество теплоты Q_раз необходимое для разогрева ванны, скла­дывается из расхода Q₁ на разогрев раствора, материала и футеровки ванны и расхода Q₂ на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду:

Q_раз = Q₁ + Q₂ / 2, (4.23)

где Q₂ - тепловые потери при рабочей температуре за время разогрева ванны; принимается, что в процессе разогрева тепловые по­тери в 2 раза ниже. Величину Q₁ определяют как:

Q₁ = (V₁c₁Ч₁ + c₂Чm₂ + c₃Чm₃) Ч(t_K – t_H), (4.24)

где V₁, c₁, ₁ - соответственно объем, удельная массовая теплоемкость и плотность нагреваемого раствора;

с₁ и с₂ – теплоемкость материалов корпуса ванны и футеровки (для стали - 500 Дж/(кг·К); для пластиката - 1630 Дж/(кг·К));

m₂ и m₃ - массы корпуса ванны и футеровки;

t_к и t_н - конечная и начальная температуры раствора.

Для разбавленных растворов (с общей концентрацией компонентов до 100 кг/м³) допустимо для ориентировочных расчетов принять плотность и теплоемкость воды 1000 кг/м³ и 4180 Дж/(кг·К).

Q₃, а также и Q₄ определяем приб­лиженно путем перемножения величины теплоотдающей поверхности (кор­пуса ванны F_K или зеркала электролита F_з) на величину удельных по­терь теплоты q через стенки ванны или через зеркало электролита и на время разогрева ванны _р:

Q₃ = q₃·F_K·_р , (4.25)

Q₄ = q₄·F₃·_р . (4.26)

Величина удельных потерь теплоты q_з (Вт/м²) через стенки ванны в интервале температур t в ванне 40-100°С равна :

q₃ = b₀ + b₁·t (4.27)

b₀ , b₁ – коэффициенты по [13, табл. 4.2].

Удельные теплопотери q₄ (Вт/м²) через зеркало электролита в ин­тервале его температуры t=30-100 °С могут быть вычислены по эмпи­рическому уравнению:

q₄ = 82 + 0,0115·t³. (4.28)

Ванна электрохими­ческого обезжиривания:

С_р-ра≈ 4180 Дж/кг·К, _р-ра≈ 1000 кг/м³, габариты ванны 1,25Ч0,8Ч1 м, _ф= 1,5 кг/см³, _м.в.= 7,8 кг/см³, = 0,04 дм, _р= 7200 с.

V₁ = 1,25·0,8·(1 – 0,2)= 0,8 м³ = 800 л,

S_дна= 1,25·0,8 = 1 м² = 100 дм²,

S_бок= 1,25·1·0,2 + 0,8·1·0,2= 4,1 м² = 410 дм²,

S_ванны = 100 + 410 = 510 дм²,

V_м.в.= 510·0,04= 20,4 дм³, V_м.ф.= 510·0,04= 20,4 дм³,

m_м.в.= 20,4·7,8= 159,12 кг (сталь 3),

m_ф= 20,4·1,5= 30,6 кг (пластикат),

Q₁=(800·4180·1+500·159,12+1630·30,6)·(60–20)=138937,5 кДж,

q₃= -183,124 + 7,553·60 = 270 Вт/м²,

Q₃= 270·5,1·7200= 9916,4 кДж,

q₄= 82 + 0,0115·60³ = 2566 Вт/м²,

Q₄= 2566·1·7200= 18475,2 кДж,

Q₂= 9916,4 + 18475,2 = 28391,6 кДж,

Q_раз= 138937,5 + 28391,6 / 2 = 153133,3 кДж.

Определение расхода теплоты на поддержание рабочей температуры. Количество теплоты Q_раб необходимое для поддержания рабочей температуры в ванне химической обработки, складывается из расхода теплоты Q₂ на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду и рас­хода теплоты Q₅ на нагрев приспособлений с деталями, периодически поступающих в ванну. Для ванн электрохимической обработки из суммы Q₂ и Q₅ следует вычесть величину Q₆ - количество теплоты, выделяю­щейся при прохождении через ванну электрического тока. Таким обра­зом,

Q_раб= Q₂ + Q₅ – Q₆ , (4.29)

Расчет величины Q_раб удобно вести на 1 час. В этом случае вели­чины Q₂, Q₅ и Q₆ могут быть вычислены по уравнениям:

Q₂ =3600·(q₃ ·F_к + q₄ ·F_з), (4.30)

Q₅= (с₄ Чm₄ + c₅Чm₅) Ч(t_K – t_H)·n_ез^час, (4.31)

Q₆= I·(U–E_тепл)·_т^час, (4.32)

где с₄ и с₅ - удельные теплоемкости материалов барабана (винипласт 1630 Дж/(кг·К)) и об­рабатываемых деталей (сталь 500 Дж/(кг·К));

m₄ и m₅ – массы барабана (10 кг) и обрабатываемых деталей одной единичной загрузки (25 кг);

n_ез^час – количество загрузочных единиц, обрабатываемых в ванне за 1 час (определяем по циклограмме);

Е_тепл – тепловое напряжение разложения;

_т^час – суммарное технологическое время обработки деталей в ванне в течение часа (определяем по цик­лограмме).

Тепловое напряжение разложения для взаимообратимых электрохими­ческих процессов (осаждение металла с растворимым анодом) равно 0; для прочих процессов величину Е_тепл можно вычислить из выражения:

Е_тепл, (4.33)

где Н - изменение энтальпии в электрохимическом процессе;

z – число электронов, участвующих в реакции;

F – число Фарадея.

Ванна электрохимического обезжиривания:

Q₅= (1630·10 + 500·25)·(60–20)·6= 6912 кДж,

Q₂= 21071,3 кДж (см. выше),

H₂O  H₂ + Ѕ O₂,

H= H^об_воды – H^об_водор. – H^об_кисл.,

H= - 285,58 –0 –0 = - 285,58 кДж/моль,

Е_тепл= 1,48 В,

_т^час= 28/(28 +527)= 0,05 ч= 182 с,

Q₆= 718,88·(3,18 – 1,48)·182= 222 кДж,

Q_раб= 21071,3 + 6912 – 222= 27 761,3 кДж.

4.4.2 Расчёт змеевика.

Поверхность змеевика S_зм равна:

, (4.34)

где к –теплопередачи от конденсирующегося пара к наг­реваемому водному раствору;

t_ср - средний температурный напор;

_р - время разогрева ванны (7200 с).

Коэффициент к зависит от характера движения жидкости в ванне, тол­щины трубы змеевика, наличия на ней продуктов коррозии и загрязне­ний. В случае свободного движения электролита к=1000 Вт/м²·ч.

Средний температурный напор вычисляют как:

, (4.35)

где t^п_н и t_н - соответственно начальные температуры пара (130С) и нагреваемого раствора (20С):

t^к_к и t_к - конечные температуры конденсата (110С) и раствора (60С).

После расчета теплоотдающей поверхности змеевика S_зм можно расс­читать его длину L_зм, предварительно задавшись наружным диаметром трубы d=21·10^-3 м.

L_зм= S_зм/(· d), (4.36)

Расход пара в период разогрева составит:

m^п_раз= Q_раз/(I_п – I_конд), (4.37)

где I_п и I_конд - соответственно удельное теплосодержание (энталь­пия) греющего пара и конденсата (I_п =2726 кДж/кг; I_конд =546,8 кДж/кг). Аналогично часовой расход пара на поддержание рабочей температу­ры будет равен:

m^п_раб= Q_раб/(I_п – I_конд), (4.38)

=76,1 С,

= 0,273 м²,

L_зм= 0,273/(3,14· 21·10^-3)= 4,14 м,

m^п_раз= 149473,2/(2726 – 546,8)= 68,6 кг/час,

m^п_раб= 27761,3/(2726 – 546,8)= 12,7 кг/час.

4.4.3 Укрупнённый тепловой расчёт ванн

При расчётах учитываем, что в году по скользящему графику 8 праздничных дней, 97 выходных дней и 260 рабочих.

Расход пара на разогрев:

m_п^час=24·(t_к­ – t_н), (4.39)

Для ванны обезжиривания:

m_п^час = 2,4·(60-20)= 96 кг/час.

Расход пара на поддержание температуры m_раб^час определяется по таблице 4.3 [13].

Для ванны обезжиривания m_раб^час=10 кг/час.

Результаты укрупнённого расчёта отображены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Укрупнённый тепловой расчёт ванн

4.5 Материальные расчёты

4.5.1 Расчёт расхода воды на промывку

Расчёт расхода воды на промывку производится в соответствии с ГОСТ 9.305-84. Согласно этому ГОСТу при погружном способе промывки, независимо от её схемы, расход воды определяется по формуле:

, (4.40)

где q – удельный вынос электролита (раствора) из ванны поверхностью деталей в барабане (q= 0,4 дм³/м²);

N – количество ступеней (ванн) промывки;

k₀ – критерий окончательной промывки деталей;

F – промываемая поверхность деталей (F= 16,2 м²/ч).

k₀= С₀ / С_п, (4.41)

где С₀ – концентрация основного компонента в электролите в ванне перед промывкой, г/л;

С_п – допустимая концентрация основного компонента в электролите после промывки, г/л.

Пример расчёта расхода воды на операцию химическое обезжиривание:

С₀=46,25 г/л; С_п=0,8 г/л; q= 0,4 дм³/м²; F= 16,2 м²/ч; N=1

k₀= 46,25 / 0,8 = 57,81; Q= 0,416,2Ч57,81 = 374,2 л/ч

Результаты расчёта расхода воды на промывку сведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Расходы воды на промывку.

4.5.2 Расчёт расхода химикатов и анодов

Расчёт расхода химикатов на первоначальное приготовление рабочего раствора рассчитывается по формуле:

m_i= C_i Ч V_i Ч n_B Ч n_CM, (4.42)

где m_i – масса каждого компонента раствора, кг;

C_i – концентрация каждого компонента раствора, г/л;

V_i – объём ванны (для электрохимических ванн V=800 л, для химических ванн V=630 л);

n_B – количество ванн;

n_CM – сменность ванны в год (ванна цинкования 1 раз, ванна пассивации 6 раз, остальные 12 раз).

Пример расчёта для ванны обезжиривания:

= 30 Ч 0,63 Ч 1 Ч 12 = 226,8 кг; = 10 Ч 0,63 Ч 1 Ч 12 = 75,6 кг; = 20 Ч 0,63 Ч 1 Ч 12 = 151,2 кг; m_дв-301= 4 Ч 0,63 Ч 1 Ч 12 = 30,3 кг.

Результаты расчётов приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 – Расход химикатов на приготовление растворов.

Расчёт химикатов на корректировку проводится по формуле:

m_i^кор = [(q_унос + q_в + q_ф ) ЧC_i + q_разл ] ЧS_год, (4.43)

где q_унос – потери раствора с деталями и барабаном (q_унос=0,4 дм³/м²);

q_в – потери раствора в вентиляцию (q_в=0,015 дм³/м²);

q_ф – потери раствора при фильтрации (только в ванне цинкования q_ф=0,065 дм³/м²);

C_i – концентрация компонента, г/л;

q_разл – потери химикатов при разложении их электрическим током (только у электрохимических ванн q_разл=0,25 дм³/м² [6]);

S_год – годовая производственная программа, м²/год.

Пример расчёта для обезжиривания:

= [(0,4 + 0,015 + 0) Ч30 + 0] Ч52,500 = 653,6 кг; = [(0,4 + 0,015 + 0) Ч10 + 0] Ч52,500 = 217,9 кг; = [(0,4 + 0,015 + 0) Ч20 + 0] Ч52,500 = 435,8 кг; = [(0,4 + 0,015 + 0) Ч4 + 0] Ч52,500 = 87,2 кг.

Результаты расчета приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 – Расход химикатов на корректировку растворов.

Расчёт анодов на первоначальный пуск рассчитывается по формуле:

S_ан^общ = I / i_а, (4.44)

где I – сила тока, А;

i_а – анодная плотность тока, А/м².

S_ан^общ = 321,5 / 150 = 2,15 м².

Массу одного анода берём равную 15 кг, плотность цинка =7200 кг/м³, отсюда находим объём одного анода:

V= 15 / 7200 = 0,0021 м³.

V_а^общ = S_ан^общ Ч _Zn¹, (4.45)

где _Zn¹ – толщина одного анода, м.

V_а^общ = 2,15 Ч 0,012 = 0,0258 м³.

Общее число анодов определяем по формуле:

П_а = V_а^общ / V,


29-04-2015, 04:00