Сплав олово-висмут

Сплав олово-висмут

Введение

Гальванотехника - один из наиболее распространенных видов электрохимического производства, который включает процессы нанесения покрытий в виде металлов, защитно-декоративной отделки, повышения сопротивления износу и поверхностной твердости, антифрикционных свойств, (гальваностегия), а также для изготовления и размножения металлических копий (гальванопластика).

В настоящее время трудно указать отрасль промышленности, которая не нуждалась бы в применении гальванотехники. На многих заводах созданы крупные гальванические цеха, оборудованные полуавтоматическими и автоматическими установками, контрольными и научно-исследовательскими электрохимическими лабораториями.

Одна из важнейших задач гальванотехники - защита металлических изделий от коррозии, вызываемой химическим или электрохимическим воздействием внешней среды. По приближенным подсчетам около 10% от ежегодного производства металлов тратится на компенсацию невозвратных потерь от коррозионного разрушения. К убыткам от коррозии относятся также расходы на борьбу с ней: ремонт поврежденного оборудования, нанесение защитных покрытий.

В последнее время перед гальванотехникой поставлен ряд новых задач:

получение покрытий с особыми физико-химическими свойствами (магнитные, полупроводниковые и другие);

применение интенсифицированных режимов, автоматического регулирования и контроля процессов, автоматизация оборудования и другие.

В нашей работе проектируем гальваническое отделение, в котором осуществляют процесс: покрытие сплавом олово-висмут с подслоем меди - применяется под пайку. Подслой меди обеспечивает качество сцепления покрытий.

На сегодняшний день процессы покрытия сплавом олово-висмут широко используются в промышленности, но не в таких масштабах как, например, цинкование и анодирование алюминия. Это служит предпосылкой к изучению свойств покрытий и дальнейшей модернизации процессов.

1. Технологическая часть

.1 Технология нанесения покрытий

гальванический сплав покрытие олово

Области применения оловянно-висмутовых покрытий

Декоративный внешний вид, высокая коррозионная стойкость и сохранение способности к пайке после долгого хранения - одни из самых важных свойств электрохимических покрытий, которые используются в производстве печатных плат и радиомонтажных деталей. Как известно, образование «вискеров» при изготовлении радиоэлектронных приборов недопустимо, аллотропическое превращение олова при низких температурах и потеря способности к пайке - главные недостатки оловянных покрытий. Предотвращение перехода белой модификации оловянного покрытия в серую достигается легированием олова висмутом в количестве до 0,5-2%. Помимо этого, коррозионные свойства покрытия улучшаются, а способность к пайке во время хранения сохраняется. Покрытие сплавом олово-висмут имеет широкое применение в радиоэлектронной промышленности для корпусов изделий, для герметизации пайкой, СВЧ печатных плат, выводов радиоэлементов и паяемых контактов.

Покрытие сплавом олово-висмут характеризуется хорошим сцеплением с медью и её сплавами. После длительного хранения не требует применения кислотных флюсов. При нанесении сплава Sn-Bi на стальные изделия следует применять подслой меди в 6-9 мкм. Существует специальный электролит для блестящего покрытия сплавом Sn-Bi. При использовании электролита для блестящих покрытий возможно получение оригинальных эффектов покрытия - тёмные покрытия, матовые покрытия, неплотные покрытия, блестящие, но хрупкие покрытия.

Физико-химические свойства олова и висмута

В свободном состоянии олово - серебристо-белый мягкий металл. Кроме обычного белого олова, кристаллизующегося в тетрагональной системе, существует другое видоизменение олова - серое олово, кристаллизующееся в кубической системе и имеющее меньшую плотность. Белое олово устойчиво при температурах выше 14 ⁰С, а серое - при температурах ниже 14 ⁰С. Поэтому при охлаждении белое олово превращается в серое. В связи со значительным изменением плотности металл при этом рассыпается в серый порошок. Это явление получило название оловянной чумы. Быстрее всего превращение белого олова в серое протекает при температуре около 30 ⁰С; оно ускоряется в присутствии зародышей кристаллов серого олова.

Стандартный потенциал олова  равен - 0,136 В и, следовательно, по отношению к меди  оно является анодом и будет защищать её от коррозии электрохимически, в отличие от железа (Е⁰ = - 0,44 В), по отношению к которому олово является катодом и его защитное действие определяется лишь сплошностью покрытия, его пористостью. Олово устойчиво в промышленной атмосфере, даже содержащей сернистые соединения, в воде, нейтральных средах. Особенный интерес представляет высокая устойчивость олова по отношению к органическим кислотам и некоторым другим органическим соединениям, в том числе содержащимся в пищевых продуктах. В этой среде потенциал олова изменяется настолько, что оно становится анодом по отношению к железу.

Висмут - металл серебристо-белого цвета, атомная масса 209,
валентность 3. Плотность висмута 9900 кг/м³. Температура плавления 271 ˚С. Удельное электросопротивление 1,01 Ом·мм. Твердость висмутовых покрытий 1,3-1,4 ГПа. Стандартный потенциал висмута по отношению к его трехвалентным ионам равен 0,2 В.

Висмут окисляется на воздухе, образуя пленку черного цвета, не растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах, в азотной кислоте растворяется легко.

Выбор электролитов для нанесения покрытия сплавом олово-висмут

Выбор электролита - один из главных этапов в процессе нанесения любого электрохимического покрытия, так как от этого зависит качество покрытия и многое другое.

К электролиту предъявляются следующие требования:

возможность получения из электролита плотного компактного осадка;

достаточно высокая рассеивающая способность электролита;

высокий выход по току (близкий к 100%);

простота использования;

дешевизна.

Факторы, повышающие поляризацию, способствуют зарождению новых кристаллов и вызывают получение мелкокристаллических осадков. Наоборот, с уменьшением катодной поляризации скорость образования зародышей кристаллов понижается и осадок получается крупнозернистым.

Уменьшение концентрации ионов осаждаемого металла в электролите, увеличение плотности тока, понижение температуры, введение ПАВ повышает катодную поляризацию и способствует образованию мелкозернистых осадков.

Рассеивающая способность - это способность электролита давать равномерные по толщине покрытия на катодах сложной формы.

При выборе электролита следует учитывать эти основные факторы, для получения качественного осадка.

Выбор электролита нанесения покрытия сплавом олово-висмут

Применяемые электролиты для покрытия сплавом олово-висмут приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1. Электролиты, применяемые для покрытия сплавом олово-висмут

Примечание к таблице 1.1: t - температура электролита, ⁰С; i_к - катодная плотность тока, А/дм²; Вт - выход по току, %.

Для покрытия сплавом олово-висмут выбираем сернокислый электролит, так как при добавлении в него различных ПАВ он будет самым оптимальным в использовании. Получим компактный мелкокристаллический осадок.

Электродные процессы, протекающие при покрытии сплавом олово-висмут

Электродные процессы, протекающие при покрытии сплавом олово-висмут

При покрытии сплавом олово-висмут на катоде происходит восстановление ионов олова и ионов висмута из раствора:

Sn²⁺ + 2е → Sn⁰

Bi³⁺ + 3e →Bi⁰

На аноде протекает процесс окисления олова:

Sn⁰ - 2е → Sn²⁺

Неполадки и их устранение при покрытии сплавом олово-висмут

Основные неполадки при покрытии сплавом олово-висмут приведены в таблицах 1.3.

Таблица 1.3. Характер неполадок и способы их устранения при покрытии сплавом олово-висмут

Выбор толщины покрытий

Вид и толщину покрытия выбирают в зависимости от условий эксплуатации детали.

Различают 3 типа условий эксплуатации:

. Легкие условия - характеризуются содержанием в атмосфере сернистого газа и хлористых солей не более 0,03 мг/м² в сутки. Атмосфера не загрязнена газами промышленных объектов и климат помещений для эксплуатации изделий должен быть регулируемым;

. Средние условия - условия эксплуатации те же, но можно хранить изделие на открытом воздухе при холодном и умеренном климате и даже при сухом тропическом климате;

. Жесткие условия - максимальная температура 85 ⁰С, минимальная температура - 60 ⁰С. Относительная влажность 98% при температуре 25 ⁰С. Наличие солнечного излучения, осадков, ветра, песка и пыли;

Толщина покрытия сплавом олово-висмут

Таблица 1.4. Толщина покрытия сплавом в зависимости от условий эксплуатации

Подготовка поверхности металлических изделий перед нанесением покрытий

Обработка поверхности металла состоит в удалении с нее окалины, окислов, жиров и других загрязнений. Помимо подготовки поверхности металла к покрытию, такая обработка применяется как промежуточная операция при производстве металлических слитков или заготовок после их термической обработки, при производстве листов, лент, проволоки и других изделий.

Прочное сцепление покрытия с основным металлом и возможно более равномерное по толщине распределение его на поверхности изделий в значительной степени зависят от качества подготовки поверхности металла.

Обработка поверхности металла перед нанесением покрытия производится в основном тремя способами:

механическим;

химическим;

электрохимическим

Технологическая схема нанесения покрытий

Технологическая схема для нанесения покрытия сплавом олово-висмут представлена в таблице 1.5

Таблица 1.5. Общая технологическая схема линии покрытия сплавом олово-висмут

1                Химическое обезжиривание         NaOH₃PO₄·12H₂O₂CO₃

Синтанол ДС-1015,0

,0

,0

2. Технологические расчеты

.1 Расчет фондов рабочего времени оборудования

Номинальный фонд  в часах составит:

где 365 - календарный фонд времени;

- выходные дни;

- праздничные дни.

Среднегодовые потери времени принимаем равными 8%. [5, с. 89]

Действительный фонд времени работы автоматической линии Т с учетом потерь времени составит:

2.2 Установление производственной программы

Годовая производственная программа линии покрытия сплавом олово-висмут с учетом брака [8, с. 531]:

где  − заданная годовая производительность, равная 60000 м²;

а - доля брака, принимаем 0,5%.

Часовая программа покрытия сплавом олово-висмут составит [6, с. 8]:

где  − часовая программа, м²/ч;

Т - действительный годовой фонд времени, ч.

Так как часовая производительность для одной линии получилась слишком большая, делим производительность на две линии.

Далее расчет ведем на одну линию:

Составляем загрузочную ведомость на одну линию (таблица 2).

Таблица 2.1. Загрузочная ведомость для обработки сплавом олово-висмут на подвесках

Единовременную загрузку в ванну определяем в соответствии с типоразмерами ванн [3, с. 10]. Выбираем единовременную загрузку в ванну 1,25 м².

Годовую производственную программу в штуках загрузочных единиц находим как

2.3 Определение продолжительности процессов

Определяем время обработки одной загрузочной единицы:

τ = τ₁ + τ₂,

где τ₁ - продолжительность технологического процесса, мин;

τ₂ - время, затраченное на загрузку и выгрузку деталей, принимается
 от 1 до10 мин [5, с. 91].

Продолжительность технологического процесса рассчитывается по формуле [5, с. 91]:

,

гальванический сплав покрытие олово

где d - толщина покрытия, м;

i_к - катодная плотность тока, А/м²;

g - электрохимический эквивалент, кг/А·ч;

- коэффициент перевода часов в минуты;

Вт - выход по току;

γ - плотность осаждаемого металла, кг/м³.

Плотность для сплава олово-висмут, содержащего 2% Bi и 98% Sn:

где γ _Sn,Bi - плотность олова, висмута (γ _Sn=7280 кг/м³; γ_Bi = 9870 кг/м³);

Р - содержание металла в сплаве, %.

Время, затраченное на загрузку и выгрузку деталей, принимаем 5 мин.

τ = 9 + 5 = 14 мин.

2.4 Расчет количества и производительности основных ванн

Количество ванн N определяем в соответствии с загрузочной ведомостью деталей по формуле:

где N - количество ванн, шт.;

Р− годовая программа, штук загрузочных единиц;

 - время обработки одной загрузки, мин;

к - коэффициент (3% от времени работы оборудования в сутки);

Т − действительный фонд работы оборудования, ч;

- коэффициент пересчета минут в часы.

Принимаем две ванны покрытия сплавом олово-висмут.

Расчетная годовая производительность составляет [8, с. 531]:

где  − годовая расчетная производительность, м;

f - единовременная загрузка ванны, м;

N - число устанавливаемых основных ванн, шт.

Коэффициент загрузки основных ванн  составляет [8, с. 548]:

Ритм выдачи загрузочных приспособлений R [16, с. 13]:

,

где Т - действительный фонд рабочего времени автоматической линии, ч;

− коэффициент загрузки оборудования;

Р_г− количество загрузочных приспособлений на годовую программу, шт.

Расчет оптимального количества основных ванн N (дублирующий расчет):

где  − основное время процесса, мин.

где τ₁ - время обработки детали на данной операции, мин;

τ^′₂ - время, необходимое для загрузки и разгрузки основной ванны, мин.

где Н - высота подъема подвески, м;

− скорость вертикального подъема автооператора, м/с; принимается
 для выбранного типа гальванической линии в соответствии с
 характеристиками линии;

а - выстой автооператора для стекания раствора, принимается в
 зависимости от сложности деталей и способа обработки от 5 до
 15 секунд.

Принимаем две основные ванны покрытия сплавом олово-висмут.

Расчет количества вспомогательных ванн.

Расчет количества ванн обезжиривания:

,

 − время пребывания деталей в ванне обезжиривания, с;

с - количество загрузок за цикл, равное числу основных ванн;

− длительность цикла автоматической линии, рассчитывается по формуле]:

, с

где (1,1 ÷ 1,2) - коэффициент, установленный опытным путем.

Принимаем одну ванну обезжиривания.

Принимаем одну ванну травления.

Расчет количества прочих вспомогательных ванн аналогичен рассмотренному.

.5 Расчет размеров ванн

Внутренние размеры ванн определяются размером подвесочного приспособления (подвески). Размеры подвески: 1300800150.

Внутренняя длина ванны:

где l − размер подвески по длине ванны, мм;

l₂ − расстояние между торцевой стенкой ванны и краем детали или подвески (100-150 мм);

Внутренняя ширина ванны рассчитывается по формуле [8, с. 551]:

где  − размер подвески по ширине ванны, составляет 150 мм;

− расстояние между анодом и ближайшим краем детали; для рельефных деталей более или менее сложной формы  берут в пределах 150-250 мм, принимаем  = 200 мм;

 − расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом (50-150 мм);

n − количество катодных штанг, равное 1;

n− количество анодных штанг, равное 2;

D - толщина анода, принимаем 10 мм.

Внутренняя высота ванны рассчитывается [8, с. 552]:

где  − высота уровня электролита;

 − высота деталей или подвески без подвесного крюка; высота подвески составляет 800 мм;

 − расстояние от дна ванны до нижнего края деталей или подвески, обычно колеблется пределах 150-300 мм.

 − высота электролита над верхним краем детали (20-50 мм), принимаем 50 мм;

 − расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны (100-250 мм), принимаем  = 150 мм.

Внутренние размеры ванны: 1600×770×1200 мм.

В соответствии с ГОСТ 23738-79 «Ванны автооператорных линий электрохимической обработки поверхности и получения покрытий. Основные параметры и размеры» принимаем внутренние размеры ванны - 1600×800×1250, наружные размеры - 2000×1000×1400. Расчеты прочих ванн линии аналогичны. Результаты расчетов представлены в таблице 2.2.

Объем электролита в ванне составляет:

При расчете объема электролита в ванне уровень электролита принимается на 10-15 см ниже борта ванны, поэтому h_э =11 см.

Таблица 2.2. Размеры ванн линии покрытия сплавом олово-висмут

.6 Расчет количества автооператоров

Расчет ориентировочного количества автооператоров  [16, с. 14]:

,

где z − количество автооператоров (округляется до целого числа в большую сторону);

k_а − коэффициент, учитывающий прямые и обратные ходы автооператора, принимается равным 1,5;

 − время работы автооператора за цикл, которое складывается из суммарного времени вертикальных  и горизонтальных  перемещений с учетом времени остановки автооператора у ванны .

,

где τ_в − суммарное время вертикальных перемещений автооператора на подъем и опускание подвески, с;

τ_г − суммарное время горизонтальных перемещений автооператора, с;

τ_ост − время остановки автооператора у ванн, с.

где L - средний шаг между позициями, рассчитывается по компоновочному

чертежу, м;

N - общее количество ванн, шт.;

 − скорость горизонтального перемещения автооператора, м/с;

Н - высота подъема подвесок, м;

 − скорость вертикального перемещения автооператора, м/с;

N - количество ванн, у которых задерживается автооператор, шт.;

 − выстой автооператора, принимаем 5 с;

 − время задержки автооператора у ванн, с.

Принимаем 1 автооператор.

3. Энергетические расчеты

.1 Расчет поверхности загрузки и силы тока на ванну

Суммарная поверхность загрузки для одной ванны составит [5, с. 98]:

,

где  − рабочая поверхность деталей единовременной загрузки, м;

 − нерабочая поверхность материала подвески в неизолированной части, принимаем 5% от рабочей поверхности , м.

Сила тока на одну ванну составит [5, с. 98]:

где i_к - катодная плотность тока, А/м².

.2 Расчет напряжения на ванне

Напряжение на штангах ванны [8, с. 600]:

где  - разность рабочих электродных потенциалов, В;

∆U_эл - падение напряжения на преодоление омического сопротивления

электролита, В;

∆U_конт - падение напряжения в контактах, В;

∆U_перф - падение напряжения в перфорации барабана, В.

Падение напряжения на преодоление омического сопротивления электролита рассчитывают [8, с. 98]:

где i_к - катодная плотность тока, А/см²;

l_э - межэлектродное расстояние, см;

- удельная электропроводность электролита, См/см.

Падение напряжения в контактах [27, с. 57]:

Необходимое напряжение на источнике тока U_и.т. складывается из напряжения на ванне и падения напряжения в шинопроводе [6, с. 99]:

Падение напряжения в шинах U_ш от источника тока до ванны в обе стороны принимают обычно до 10% от напряжения на ванне.

3.3 Выбор источника тока

Для ванны покрытия сплавом олово-висмут выбираем выпрямитель ВАКР-1600-12-4 (номинальное напряжение 4 В, номинальный ток 1600 А) [4, с. 75], который устанавливаем рядом с ванной. Агрегат имеет ручное плавное регулирование выпрямленного напряжения, тока и плотности тока, а также ручное регулирование выходного напряжения.

.4 Выбор и расчет шин

Сечение медных шин рассчитываем по формуле [20, с. 192]:

где J - сила тока на ванне, А;

 − удельное сопротивление меди, Ом·мм²/м;

L - длина шинопровода в одну сторону, принимаем ее равной 4 м;

− максимально допустимое падение напряжения в шинах, В.

Удельное сопротивление меди при 18 ºС составляет 0,0178 Ом·мм²/м; температурный коэффициент меди а = 0,00445; среднюю температуру шин принимаем 40 ºС.

Выбираем шинопровод сечением 50×5 мм. Выбранное сечение приемлемо на нагрузку 262 А.

.5 Суточный расход электроэнергии на электролиз

Суточный расход электроэнергии [6, с. 81]:

где ∑J - суммарная сила тока ванн, А;

 − рабочее напряжение на источнике тока, равное 2,74 В;

k − коэффициент загрузки оборудования, равный 0,8;

k− коэффициент загрузки источника тока, который обычно принимают
 равным от 0,7 до 0,85, принимаем k = 0,8;

 − КПД выпрямителя;

h - число часов работы в сутки, равное 16.

4. Тепловые расчеты

4.1. Тепловые расчеты ванны обезжиривания

Определение расхода тепла на разогрев ванны

Количество тепла , необходимое для разогрева ванны, складывается из расхода тепла на разогрев раствора, материала ванны  и расхода тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду Q₂ [8, с. 613]:

Расход тепла  на разогрев раствора и материала ванны [8, с. 613]:

где V - объем раствора в ванне 1,833 ;

ρ - плотность электролита химического обезжиривания, 1,08 кг/м³ [3, с. 33];

 − удельная массовая теплоемкость электролита, 4186,8 Дж/кг·К [3, с. 33];

 − удельная массовая теплоемкость стального корпуса ванны, 481,5 Дж/(кг·К) [16, с. 29];

− масса корпуса ванны химического обезжиривания 1014 кг, рассчитывается исходя из того, что ванна изготовлена из стали (плотность железа равна 7800 кг/м³), и толщина стенок составляет 8 мм = 0,008 м [5, с. 9];

− конечная температура электролита химического обезжиривания 60 ºС;

− начальная температура электролита, которая соответствует температуре цеха и составляет 25 ºС.

Расход тепла Q на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду

Q складывается из потерь тепла q₁ (кДж) нагретой жидкости через стенки и потерь тепла q₂ (кДж) на испарение жидкости с открытой поверхности, рассчитывается по формуле 1.49.

Расчет потерь тепла через стенки ванны

Потери тепла через стенки ванны рассчитывают по формуле:

где q − потери тепла через стенки ванны, Дж;

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

F - поверхность корпуса ванны, .

Наружные размеры ванны химического обезжиривания в м² составляют 2,0×1,0×1,4. Площадь двух боковых стенок по длине и высоте равна
(2,0 · 1,4) · 2 = 5,6 м²; площадь двух боковых стенок по ширине и высоте равна (1,0 · 1,4) · 2 = 2,8 м²; площадь днища ванны равна 2.0 · 1,0 = 2,0 м². Итак поверхность корпуса ванны составляет 5,6 + 2,8 + 2,0 = 10,4 м².

Коэффициент теплопередачи κ определяют по формуле:

где α₁ - коэффициент теплопередачи от горячей жидкости к стенке ванны, Вт/ (м²·К);

α₂ - коэффициент теплопередачи от стенки к воздуху, Вт/ (м²·К);

δ - толщина стенки, м;

λ - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м·К).

Величина δ/λ представляет собой суммарное термосопротивление слоев стенки.

Критерии Грасгофа Gr и Прандтля Pr определяют по формуле:

,

где β - температурный коэффициент объемного расширения электролита, принимаем 5,8·10^-4· К^-1 [10, с. 532];

l - внутренняя высота стенки ванны, 1,25 м;

g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с²;

Δt = (t_к - t_ст) - разность температуры электролита и температуры стенки со стороны электролита, т.е. температурный напор, принимаем 3 ºС;

с_р - удельная массовая теплоемкость электролита, Дж/(кг·К);

λ - коэффициент теплопроводности электролита, Вт/(м·К);

∂ - кинематическая вязкость электролита, м².

,

где  - плотность электролита обезжиривания, кг/м³;

 - динамический коэффициент вязкости, принимаем для NaOH при 3 ⁰С - 1,15·10^-3 Па·с [10, с. 514].

Кинематическую вязкость электролита химического обезжиривания рассчитываем по формуле:

Коэффициент теплопроводности электролита при 30 ˚С рассчитываем по формуле, при 70 ˚С по формуле 1.55.

При отсутствии экспериментальных данных коэффициент теплопроводности электролита  может быть рассчитан [10, с. 150]:

где А - коэффициент, зависящий от степени ассоциации раствора (для воды А = 3,58∙10);

− удельная теплоемкость раствора, Дж/(кг·К);

 − плотность раствора, кг/м³;

Процентное содержание NaOH составляет 1%.

Мольная доля NaOH в растворе:

где 40 - это молекулярная масса NaOH;

- это молекулярная масса НО.

Мольная масса электролита химического обезжиривания составит:

.

Рассчитываем критерии:

Так как 20,756·10¹⁰ > 2·10⁷, то расчет α₁ ведем по формуле:

Коэффициент теплопередачи α₂ от стенки корпуса ванны к воздуху складывается из коэффициента теплопередач конвекцией α_к и коэффициента теплопередачи лучеиспусканием α_λ [8, с. 614]:

α₂ = α_к + α_λ

Коэффициент теплопередачи α₂ может быть рассчитан по формуле [16, с. 27]:

α₂ = 9,3 + 0,06 · t_ст, Вт/м²·К,

где t_ст - температура наружной поверхности стенки, принимаем 38°С.

α₂ = 9,3 + 0,06 · 38 = 11,58 Вт/м²·К

q₁ = 11,34· 10,4 · 3600 · (60 - 25) = 14859,936 кДж.

Расчет тепла на испарение

Потери тепла на испарение q₂ можно определить по формуле [16, с. 27]:

q₂ = (5,7 + 4,1 · υ) · (t_к - t_в) · τ · F´,

где υ - скорость движения воздуха над поверхностью электролита, принимаем равной 7 м/с [16, с. 70];

t_к - температура электролита, 60 ºС;

t_в - температура воздуха над поверхностью жидкости, 20 ºС;

τ - время разогрева, с;

F´ - поверхность электролита, которая составляет 1,6 · 0,8 = 1.28 м².

q₂ = (5,7 + 4,1 · 7) · (60 - 20) · 3600 · 1,28 = 6340,608 кДж

Расход тепла на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду составит:₂ = 14859,936 + 6340,608 = 21200,544 кДж.

Количество тепла , необходимое для разогрева ванны:

 Определение тепла на поддержание рабочей температуры ванны Q_{раб/час}

Q_{раб/час} складывается из потерь тепла в окружающую среду Q₂ и потерь тепла на нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений Q₃. Рассчитываем по формуле:

Q_{раб/час} = Q₂ + Q₃, Дж.

Потери тепла на нагрев загружаемых в ванну деталей и приспособлений рассчитываем по формуле:

Q₃ = c_p · m · τ^´ · (t_к - t_н), Дж

где с_p - удельная массовая теплоемкость стального корпуса ванны, 481,5 Дж/(кг·К);

m - масса загруженного металла в ванну за секунду, кг;

τ´ - основное время работы ванны за 1 час, равное 3600 · 0,8 = 2880 с.

Массу загруженного в ванну материала определяют с учетом продолжительности обработки деталей в ванне по формуле [16, с. 28]:

где М - масса обрабатываемых деталей и приспособлений за 1 загрузку, кг;

 - основное время работы ванны за 1 час, равное 2880 с.

 кг/с,

где 10 - количество штук деталей на подвесках;

,85 - масса одной детали, кг.

Массу загрузочного приспособления принимаем равной 10% от общей массы деталей.

кДж

Расход тепла на поддержание рабочей температуры составит:

Q_{раб/час} = 21200,544+ 1713,467 = 21914,011 кДж.

Ванну химического обезжиривания необходимо нагревать. Предусмотрен змеевик для разогрева ванны.

Определение параметров змеевика для подогрева электролита

Поверхность нагрева змеевика S зависит от расхода тепла на разогрев раствора в ванне Q_раз [16, с. 71]:

где k - коэффициент теплопередачи, составляет от 814 до 3489 Вт/(м²·К) [16, с. 71], принимаем 1000 Вт/(м²·К);

,1 - коэффициент, учитывающий потери тепла в трубах;

τ - время разогрева, 3600 с;

t_ср - средняя температура пара, ºС.

,

где t₁ - температура пара, поступающего в змеевик, 130 ºС [16, с. 71];

t₂ - начальная температура раствора, 25 ºС;

t₃ - температура конденсата, выходящего из змеевика, 130 ºС [16, с. 71];

t₄ - конечная температура раствора, 60 ºС.

Длина трубы змеевика составляет [24, с. 71]:

,

где d - диаметр трубы змеевика, принимаем равным 0,032 м [16, с. 71].

Определение расхода пара в период разогрева

Для расчета расхода пара нужно определить теплосодержание 1 кг входящего пара  и уходящего конденсата . Расход пара в период разогрева [16, с. 71]:

,

где λ - теплосодержание 1 кг насыщенного водяного пара, 2668 кДж/кг;

Q - температура выходящего конденсата 130°С;

С_р - удельная массовая теплоемкость конденсата, 4,20 кДж/(кг·град) [16, с. 72].

Расход греющего пара на разогрев ванны обезжиривания составит [16, с. 71]:

Данные расчета представлены в обобщающей таблице теплового расчета 2.3 Результаты расчета расхода пара для нагрева ванн теплой промывки, а также ванн линии покрытия сплавом олово-висмут представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.3. Сводная таблица теплового расчета

Таблица 2.4. Сводная таблица расчета расхода пара

Список использованной литературы

1. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника: Справочное издание. / Ф.Ф. Ажогин, М.А. Беленький, И.Е. Галль - М.: Металлургия, 1987. - 736 с.

. Александров В.М. Оборудование цехов электрохимических покрытий: Учебное пособие. / В.М. Александров, Б.В. Антонов, Б.И. Гендлер - Л.: Машиностроение, 1987. - 309 с.

. Бородкина В.А. Краткий справочник по гальванотехнике: Учебное пособие по курсу «Основы электрохимической технологии». / В.А. Бородкина, Н.Г. Сосновская - А.: АГТА, 2008. - 66 с.

4. Варыпаев В.Н. Введение в проектирование электролизеров: Учебное пособие. / В.Н. Варыпаев - Л.: ЛТИ, 1981. - 86 с.

5. Виноградов С.С. Организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование: Учебное пособие. / С.С. Виноградов - М.: Глобус, 2005. - 256 с.

6. Вячеславов П.М. Оборудование цехов электрохимических покрытий: Справочник. / П.М. Вячеславов - Л.: Машиностроение, 1987. - 309 с.

. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов: Учебное пособие. / С.Я. Грилихес - Л.: Машиностроение, 1977. - 112 с.

8. Лайнер В.И. Основы гальваностегии, II часть: Учебное пособие. / В.И. Лайнер, Н.Т. Кудрявцев М.: Металлургиздат, 1957. - 647 с.

9. Мельников П.С. Справочник по гальваническим покрытиям в машиностроении: Учебное пособие. / П.С. Мельников - М.: Машиностроение, 1979. - 289 с.

10. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии: Учебное пособие. / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков - Л.: Химия, 1987. - 575 с.

11. Правила устройства электроустановок. Шестое издание. Дополненное с исправлениями. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2000. - 608 с.

12. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии: Учебное пособие. / И.В. Семенова, Г.М. Флорианович - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 336 с.

. Сосновская Н.Г. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования и правила оформления: Методические указания для студентов специальности «Технология электрохимических производств». / Н.Г. Сосновская, В.А. Бородкина, Н.В. Истомина - А.: АГТА, 2009. - 89 с.

. Сосновская Н.Г. Оборудование электрохимических производств: Учебное пособие. / Н.Г. Сосновская, Н.В. Истомина, Е.Н. Ковалюк - А.: АГТА, 2005. - 100 с.

. Сосновский Г.Н. Основы электрохимической технологии. Гальванотехника: Учебное пособие. / Г.Н. Сосновский, Н.Г. Сосновская - А: АГТА, 2004. - 108 с.

16. Усанкин Н.Г. Автоматические гальванические линии с программным управлением: Учебное пособие. / Н.Г. Усанкин - М.: Машиностроение, 1977. - 512 с.

17. Фокин М.Н. Защитные покрытия в химической промышленности: Учебное пособие. / М.Н. Фокин, Ю.В. Емельянов - М.: Химия, 1981. - 304 с.

. Ямпольский А.М. Краткий справочник гальванотехника: Учебное пособие. / А.М. Ямпольский, В.А. Ильин Л.: Машиностроение, 1987. - 270 с.

19. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Технология электрохимических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1972. - 464 с.

20. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. Оборудование цехов электрохимических покрытий. - Л.: Машиностроение, 1971. - 288 с.

21. Флеров В.Н. Сборник задач по прикладной электрохимии. - М.: Высш. школа, 1987. - 319 с.

23. Гороновский Н.М., Квят Э.И. Краткий справочник физико-химических величин. - Л.: Химия, 1967. - 611 с.