п- площадь внутренней поверхности;Sб.п=πDh, (3.5)Sвн.п=πdh, (3.6)D- внешний диаметр втулки, d — диаметр отверстия, мм;h — высота цилиндра, мм;Sб.п=3,14· 100·100=31 400 мм2;Sвн.п=3,14· 95·100=29 830 мм2;=765,8 мм²;Sдет=765,8+765,8+31 416+29845= 62 792,6мм2= 0.0628 м2. В ванну одновременно завешивают на подвеску по 3 втулки. Общая площадь покрываемой поверхности Sдет=1,13 м². Общее число деталей 18Рисунок 3 — Расположение деталей на подвескеI = iкSдет = 30 001,13 = 3390 А. где iк=30 А/дм2 = 3000 А/м2 (по заданию iк=20−30 А/дм2).Sзерк = LвнBвн = 100 050 010−6 = 0,5 м2Расчет размеров и количества анодов.
Толщина анодов по заданию равна 10 мм, расстояние от стенки ванны до боковой поверхности анода 25 мм. Максимальная длина, на которой могут быть расположены аноды, равна внутренней длине ванны, т. е. 1000 мм. Каждую анодную штангу завешиваем 3 анодами каждый шириной 250 мм. Расстояние между анодами 100 мм.2503+225+2100=1000 мм.
Расстояние от днища ванны до нижнего края анода 150 мм, а расстояние от верхнего края ванны до верхней части анода 150 мм. Высота анода составляет: Hа = Hвн — 200 — 100 = 800 — 150 — 150 =500 мм;SA=1,5· (0,25·0,01+0,25·0,5+0,01·0,5)=0,199 м²;Sобщ.A= 0,199· 6=1,194 м². Масса анода одного анода составляет: ma = La· Ba·Ha·сa, (3.7)где La — длина анода, 250 мм;Ba — толщина анода, 10 мм;Ha — высота анода, 500 мм;ρa — плотность материала анода (стали), 7800 кг/м3 [11]. ma = 0,25· 0,01·0,500·7800 = 9,75 кг. Один анод имеет массу 9,75 кг. Анодов 6, соответственно общая масса анодов 58,5 кг. Завешиваются аноды по 3 на каждую анодную штангу так, чтобы анод перекрывал завешенные на катодной штанге детали или был на уровне с ними. Расчёт материального баланса.
Для процесса железнения составляем нестационарный материальный баланс, на основании которого рассчитываем изменение состава электролита и его объема за определенный промежуток времени и периодичность корректировки состава ванны. Наиболее удобной формой составления материального баланса электролизера является метод математического моделирования. При математическом моделировании электрохимический аппарат удобно представить в виде зоны идеального смешения, в которой значения всех параметров могут изменяться во времени, но в каждый момент времени во всем пространстве аппарата они одинаковы. Исходные данные для расчёта материального баланса и начальные приближения.
Исходные данные для расчёта материального баланса ванны железнения представлены в таблицах 4.1 и 4.
2.Таблица 4.1 — Состав электролита железнения.
Компоненты электролита, г/лДопустимые пределы концентраций, г/лХлорид железа FeCl2414,8Хлорид железа FeCl2410−420Соляная кислота HCl2,5Соляная кислота HCl2,0−3,0Таблица 4.2- Параметры технологического процесса.
Размеры элементов ванны.
Режим электролиза.
ПоказателиПлощадь одной детали, м20,06Плотность тока, А/м23 000.
Толщина, мкм10Количество деталей, шт18Температура, К373Катодный выход по току, %90Площадь всех деталей, м21,13Ток, А3390.
Анодный выход по току, %100Основные реакции на электродах:
Анод: Fe-2eFe2+ 1 (4.1)Катод: Fe2++2eFe Вт (4.2) 2H++2eH2 1-Вт (4.3)2(1-Вт)HCl+(1-Вт)Fe (1-Вт)H2+(1-Вт)FeCl2 (4.4)Исходные концентрации компонентов равны:
кг/м3кг/м3Изменение состава электролита в ванне железнения.
Материальный баланс основан на системе уравнений покомпонентного и общего материального баланса и уравнения зависимости плотности от состава электролита [12]:, (4.5), (4.6), (4.7)где Vобьём электролита в ванне, м3;ρ - плотность электролита на выходе, кг/м3;ρ׳- плотность электролита на входе, кг/м3;υ-объемная скорость электролита на выходе, м3/ч;υ׳ - объемная скорость электролита на входе, м3/ч;Сi-концентрация компонента электролита на выходе, г/л;Ci׳- концентрация электролита на входе, г/л;Qi, см,∑- суммарная интенсивность i-го компонента, кг/ч;dt — период времени, ч;bi — коэффициент зависимости плотности от концентрации i-го компонента [12]. Используя эти уравнения, проводили расчёт материального баланса ванны методом численного интегрирования по времени по шагам:; (4.8); (4.9); (4.10). (4.11)Входящий поток — это вода, приносимая с деталями из ванны промывки, поток на выходе — это электролит, уносимый с деталями. Скорость этих потоков одинакова и определяется по формуле,(4.12)где с — коэффициент уноса электролита, м3/м2;Sдет — площадь покрываемых деталей, м2; - время технологического цикла, с [13];, (4.13)где tвсп- время обслуживания ванны, с;с = 8,33 мин.=8,33+5=13,33 мин. = 799,6 с. м3/с.Суммарная реакция:
Вт*Fe2++(1-Вт)*2H++FeВт*Fe+(1-Вт)*H2+Fe2+(1-Вт)*2H++(1-Вт)*Fe (1-Вт)*H2+(1-Вт)*Fe (1-Вт)*H2А+(1-Вт)*Fe2e (1-Вт)*H2+(1-Вт)*FeAСкорость изменения количества вещества за счет электрохимических реакций Qi, см, эх, кг/с рассчитывали следующим образом. Интенсивность выделения газообразного водорода, (4.14)Интенсивность накопления в растворе сульфата железа, (4.15)Скорость расходования воды в катодной реакции, (4.16)где I — сила тока, А;Mi — молекулярная масса i-го компонента, кг/моль; кг/с. кг/с. кг/с.Скорость изменения количества воды за счет испарения Qагр, H20, кг/с, кг/м2∙с; (4.17)кг/с.кг/с.кг/с.Плотность раствора линейно зависит от состава раствора. Коэффициенты bi учитывают влияние отдельного компонента на плотность раствора. В справочнике [13] приводятся таблицы зависимостей плотности раствора i того или иного компонента от его концентрации Ci. Если учесть, что плотность воды равна 1000 кг/м3, то коэффициент bi определяется по формуле, (4.18)По табличным значениям строим графики зависимости от. Графики зависимости от приведены на рисунках 4 и 5. Рисунок 4 — Зависимость плотности раствора FeCl2 от концентрации при температуре 20оСРисунок 5 — Зависимость плотности раствора HCl от концентрации при температуре 20оССоответственно коэффициенты biбудут равны: bFeCl2=0,5856, bHCl=10,465.Изменение концентрации раствора в процессе работы ванны.
Выражение для определения зависимости плотности от состава раствора, (4.19)Для раствора это выражение принимает вид: В результате расчета установлено, что в процессе работы гальванической ванны железнения происходит накопление хлорида железа вследствие разницы выходов по току на аноде и катоде.(рисунок 6) Концентрация соляной кислоты изменяется незначительно (рисунок 7). Наблюдается незначительное уменьшение уровня электролита в ванне, за счёт испарения (рисунок 8, рисунок 9).Рисунок 6 — Изменение во времени концентрации FeCl2 в ванне железнения.
Рисунок 7 — Изменение во времени концентрации HCl в ванне железнения.
Рисунок 8 — Изменение во времени объема электролита в ванне железнения.
Рисунок 9 — Изменение уровня электролита во времени.
Расчет времени корректировки электролита и времени замены анодов.
Полученные данные могут быть использованы для того, чтобы определить необходимость и периодичность корректировки электролита. Скорость изменения концентрации i-го компонента раствора может быть представлена из графика зависимости концентрации от времени (рисунки 4 и 5). При линейном изменении концентрации от времени это будет тангенс угла наклона прямой:; (4.20)где, А — тангенс угла наклона прямой в координатах С-t.AFeCl2=1,4473; АHCl=-0,0054.
По известной скорости изменения концентрации можно определить время достижения критического значения концентрации, т. е. время корректировки tкор, (4.21)где — максимально возможное изменение концентрации каждого компонента.;(4.22) ;(4.23)где и — соответственно верхние допустимые пределы изменения концентраций компонентов [12]. 3 смены смен.
По полученным данным в соответствии с рисунком8 объём электролита в ванне железнения меняется во времени по линейному закону.; (4.24)Если учесть, что изменение объёма электролита не может превышать некоторого критического значения∆Vкр.=S· ∆hкр., (4.25)то можно рассчитать время, через которое необходимо доливать в ванну электролит или корректировочный раствор (Δhкр определяются по тангенсу угла наклона, рисунок 8):; (4.26); (4.27) смены.
Определим объем электролита через 3 смены: м3. V = Vнач — V7=(0,35−0,3428).
1000 = 7,2литра.Определим концентрацию хлорида железа после добавления 7,2литра корректировочного раствора (соляная кислота):
кг/м3Данная корректировка не дала доведения концентрации хлорида железа до начального уровня. Поэтому необходимо убрать некоторый объём электролита. Удаляемый объём электролита рассчитывается по формуле: литра, литра.
Заключение
по технологической части.
Рассчитаны габаритные размеры ванны, выбрана деталь и анод.
В процессе работы ванны происходит накопление хлорида железа вследствие разницы выходов по току на аноде и катоде. Предложен режим корректировки электролита: через 3 смены 8,07 литра электролита заменить на раствор, содержащий соляную кислоту при одновременном контроле рН и количества ионов Fe3+объёмом 15,27 литра. Аноды Хлорид железа необходимо корректировать через 3 смены, соляную кислоту через одиннадцать смен, что обусловлено приносом с деталями воды, а также с уносом деталями электролита. Библиографический список1.Мелков М. П. Электролитическое наращивание деталей машин твёрдым железом: Учебник. — Саратов: Приволжское книжное издательство, 1964. 204 с.
2. Беленький М. А., Иванов А. Ф. Электроосаждение металлических покрытий: Справочник. — М.: Металлургия, 1985. 288 с.
3. Дасоян М. А., Пальмская И. Я., Сахарова Е. В. Технология электрохимических покрытий: Учебник.
для средних специальных учебных заведений. — Л.: Машиностроение. 1989. — 391 с.
4. Зайдман Г. Н. Электролитическое осаждение железа: Учебник. — К.: Штиинца, 1990 — 195 с.
5. Гальванические покрытия в машиностроении: Справочник в 2-х томах. /Под ред. М. А. Шлугера — М.: Машиностроение, 1985. 240 с.
6. Каданер Л. И. Справочник по гальваностегии — К.: Техника, 1976. 254 с.
7. Зальцман Л. Г., Черная С. Ф. Спутник гальваника — К.: Техника, 1988.-192 с.
8. Закиров Ш. З. Упрочнение деталей машин электроосаждением железа: Учебник. — Душанбе: Ирфон, 1978. 208 с.
9. Ямпольский А. М., Ильин В. А., Краткий справочник гальванотехника 3-е издание переработанное и дополненное. — Л.: Машиностроение, 1981.-269 с.
10. Технологические расчеты оборудования электрохимических производств. Часть 1. /В.М. Рудой, Т. Н. Останина, И. Б. Мурашова и др. — Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ, 2006. — 80 с.
11. Технологические расчеты оборудования электрохимических производств. Часть 2. /В.М. Рудой, Т. Н. Останина, И. Б. Мурашова и др. — Екатеринбург: ФГАОУ ВПО УрФУ, 2012. — 68 с.
12. Справочник химика / под редакцией Б. П. Никольского: 2-е изд. -М.;Л.: Химия, 1964. — Т.
3. — 1000 с.
13. ГОСТ 30 086–93. Втулки кондукторские и элементы их крепления.
14. ГОСТ 23 738–85. Ванны автооператорных линий для химической, электрохимической обработки и получения покрытий.
15. ГОСТ 9.305−84. Покрытия металлические и неметаллические неорганические.
