CC BY
50
УДК 621.357.7:658.52.011.56.012.3(035)
В. А. Тарасов, А. Н. Алексеев, А. Н. Королев, Ю. А. Ц е б р о
АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОПЕРАЦИОННОМ МОДУЛЕ НИКЕЛИРОВАНИЯ С МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ СИСТЕМОЙ ПРОМЫВКИ ДЕТАЛЕЙ
Для проектирования операционных модулей никелирования c распределенной системой промывки деталей установлены закономерности изменения концентрации электролита на поверхностях деталей и в системе промывки, что необходимо для сокращения потребления воды и ценных химических соединений.
E-mail: alxnik@mail.ru
Ключевые слова: никелирование, система промывки, концентрация электролита, операционный модуль.
Процессы гальванохимической обработки (ГХО) представляют собой совокупность операций, реализуемых технологическими модулями [1, 2] в определенной последовательности. В соответствии с работами [3, 4] в технологических модулях линий гальванического производства целесообразно иметь несколько ступеней промывки: одну-две ступени предварительной струйной промывки и ступень заключительной диффузионной промывки погружением. Это позволяет повысить качество и сократить время промывки деталей, снизить потери воды и ценных химических соединений процессной ванны вследствие оптимизации водообмена между ступенями промывки.
Однако при проектировании многоступенчатой системы промывки необходимо знать закономерности изменения концентраций отмываемых электролитов в баках и (или) ваннах для промывки деталей.
Настоящая статья посвящена экспериментальному исследованию процесса изменения концентрации электролита в технологической системе операционного модуля никелирования с многоступенчатой системой промывки деталей, размещаемых на подвесках.
Методика исследования состояла в том, что промывке подвергались детали на подвесках с площадью поверхности 1 м2. Объем баков составляет 0,5 м3. Концентрацию основных отмываемых компонентов электролита ГХО измеряли в отобранных из соответствующих сборников-дозаторов и баков пробах отмывающего раствора используемых ступеней промывки.
При проведении исследований были использованы фотометрический и электрохимический методы измерения концентраций основного отмываемого компонента (ООК) в растворах [1, 5] с чувствитель-
ностью 10... 50 и 1... 10мг/м3 соответственно. Наиболее распространенным фотометрическим методом с помощью фотоэлементов сравнивали интенсивности световых потоков, проходящих через эталонный и анализируемый растворы. В электрохимическом методе с помощью кондуктометров определяли суммарное содержание компонентов электролитов по удельной электропроводности с помощью предварительно построенного тарировочного графика.
Струйная промывка выполнялась в течение 4 с при подъеме подвески со скоростью 0,16 м/с (ширина зоны промывки — 0,8 м). Время диффузионной промывки погружением составляло 1 ч (вместо 1 — 2 мин, регламентированных технологическим процессом).
При струйной промывке использовались панели с соплами конои-дальной формы, формирующие пакет струй диаметром 0,7 мм. Чтобы обеспечить воздействие струй на все без исключения точки проекции поверхности деталей на вертикальную плоскость, в панели необходимы 156 сопел. Сопла должны быть расположены в два ряда со смещением (А) осей отверстий, определяемым из соотношения
d < А < 1,5d,
где d — выходной диаметр соплового отверстия.
В качестве основного отмываемого компонента электролита ГХО выбран сернокислый никель с концентрацией 250... 300кг/м3.
Результаты измерения концентраций ООК на деталях, в сборниках-дозаторах и баках ступеней промывки приведены на рис. 1.
Полученные экспериментальные результаты служат для обоснования целесообразной интенсивности массопереноса отмываемого электролита между процессной ванной, баками ступеней струйно-динамической промывки и ванной для промывки погружением операционного модуля (ОМ).
Составляя баланс масс для процесса перемещения ООК с деталей в сборники-дозаторы и баки промывной жидкости, получили соотношения для определения толщины А8 слоя, удаляемого с поверхностей деталей при струйной промывке и промывке погружением:
А8 - 8 = ^ ^ , (1)
^СТр
! - K
А8 - 8=Бга, (2)
где д — расход отмывающего раствора через одну струеформирующую панель; ¿стр — время струйной промывки; Б — площадь поверхности деталей на подвеске; К^02, К — концентрации ООК в сборнике-дозаторе и баке промывной воды объемом $ = 0,5м3 г-й ступени промывки;
Рис. 1. Концентрация ООК:
а — на поверхностях деталей по ступеням промывки; б — в жидкости сборников-дозаторов; в — в жидкости баков ступеней промывки
К— — концентрация ООК в баке промывной воды (г — 1)-й ступени. Цифра 8 в соотношении (1) означает, что подвеска подвергается промывке с двух сторон с помощью восьми панелей.
Толщина слоя Д5 в соответствии с принятыми допущениями близка толщине слоя 5, выносимого из ванны предыдущей ступени при перемещении подвесок между ваннами операционного модуля ГХО.
Результаты оценки толщин переносимого на деталях слоя ООК для разных ступеней обработки приведены на рис. 2.
В то же время для задач проектирования гальванических линий важна оценка толщины выносимого слоя электролита, что связано с технологическими параметрами промывки.
Для установления факторов, влияющих на толщину слоя отмываемого раствора на поверхностях деталей, предположим, что боковая поверхность деталей имеет площадь 5. Детали извлекаются со скоростью V. Возле поверхности деталей образуется пограничный слой
12
Номер обработки
Рис. 2. Толщина слоя ООК на поверхностях деталей по ступеням промывки
жидкости толщиной 8. На поверхности детали массовая скорость совпадает со скоростью детали, а на внешней поверхности слоя она равна нулю.
Сдвиговые деформации в поверхностном слое, которые в настоящей работе приближенно приняты равными £ = v/8, вызывают появление касательных напряжений т = и определяют вынос массы электролита из процессной ванны, где ^ — вязкость электролита (наряду с другими технологическими факторами: площадью поверхности деталей на подвеске, сложностью профиля деталей, влиянием поверхностного натяжения электролита/раствора и др.).
Условием подъема массы электролита над процессной ванной на поверхностях деталей можно принять равенство сил тяжести и касательных сил, действующих на поверхностный слой электролита. Отсюда толщину поверхностного слоя можно оценить как
8 = ш ц/ —, (3)
V gp
где ш1 — поправочный коэффициент, g — ускорение свободного падения, p — плотность электролита.
При последующем удержании деталей над процессной ванной электролит будет стекать с их поверхностей, а толщина поверхностного слоя будет уменьшаться.
Запишем баланс стекающих масс в интегральной форме
t
H (8 - 8t) = 2 J U8dt,
о
где H — высота детали, U — скорость стекания жидкости в центре площади деталей, 8t — толщина пленки в момент t.
Дифференцируя, получаем
dA = _28u (4)
dt H ' ()
Уравнение движения воды под действием сил тяжести и вязкости представим в виде
dU 2H^U
m—— = gm
dt 8t и запишем его в приближенной форме
dU 2^U
= g
dt * p8*2
минимальна соответствии с работой [1], равна 0,2 мм.
(8 + 8min) г
где 8 = ---; 8min — минимальная толщина пленки, которая, в
2
Решение уравнения имеет вид
и = ^ (1 — е-^ ). (5)
Подставляя (5) в уравнение (4), получаем
5 = 5 еХК—Х
Г 2£/р5с2\2Г /
Х ехр|—-цг) ^ — ехр
При —^ ^ 1 выражения (5) и (6) примут вид
р5с2
и = * (1 —
р8
*2
(6)
рб*2
sttLiг_ 2ßt
5г = 5е- н \ . (7)
Если существуют ограничения по допустимому выносу электролита из процессной ванны (5доп), то из соотношения (3) можно определить ограничение на скорость извлечения деталей из процессной ванны:
V ^ 5р5доп. (8)
Уравнения (6)-(8) образуют модель стекания раствора с поверхностей деталей, которую можно использовать для расчета времени экспозиции подвески с деталями над ванной.
Важными характеристиками интенсивности и качества промывки являются закономерности изменения концентраций Сг во времени, которые в соответствии с данными работ [2, 6] для струйной и погружной промывок описываются соотношениями:
С = Сг-1 ехр( —«стр ¿стр ), С = С г-1 ехр(—«поЛог),
где астр и апог — константы промывки при известном времени промывки, которые могут быть найдены из экспериментальных данных
астр = 0,576 и апог = 0,00217, с-1.
Последняя константа получена из графика изменения концентрации электролита на поверхностях деталей при промывке погружением (рис. 3).
Однако время фактического воздействия струй на точку поверхности деталей равно 2d/v, поэтому
* ¿стр^ _1
аСТр = астр= 263 с .
Рис. 3. Изменение концентрации электролита на поверхностях деталей при промывке погружением
Можно также уточнить величину апог, учитывая, что скорость диффузии ООК в ванне промывки погружением невелика и после удаления слоя А6 с помощью струйной промывки на поверхности детали образуется слой гетерогенной структуры, где внешний слой толщиной А6 представляет собой чистую воду, а слой 64 = 63 — А8 имеет концентрацию ООК С2. В этом случае а*ог = 0,00281 с-1.
Для проектирования гальванических линий важное значение имеет теоретическая оценка значений астр и апог.
В соответствии с работой [6], где исследовался механизм струйной промывки, принимаем, что струя толщиной й со скоростью Ш падает по нормали на жесткую плоскость, покрытую жидким слоем отмываемого раствора толщиной 6 (рис. 4).
Оценим скорость Б внедрения струи в жидкую пленку отмываемого компонента по формуле
Ш 1
D =
2
1 +
^ + xä,
рШН
где Н — расстояние от вершины струи до отмываемой поверхности; х,у — координатная плоскость движения отмываемого раствора; их ,иу — компоненты массовой скорости движения отмываемого раствора под действием струи, Ш — скорость движения детали относительно струи.
Рис. 4. Расчетная схема струйного удаления отмываемого раствора
Интегрируя уравнение удаления отмываемого компонента
¿И
~т = -в ¿г
при начальном условии И |4=0 = 8, получаем
г(Н) = ¿1 + ¿2,
, .гч 28
где ti{H) = -
H
1 - т
. ¿2 (Н)=^ 0+X?)
Традиционно в качестве аппроксимирующей зависимости выбираем зависимость И = 8е-астр Константу астр находим, приравнивая интегралы
/Е = 11 + /2,
где
СЮ 5
/С /> г-2
Hdt = —, Ii = tidH = —,
«стр J W
0 0
5 с 2^8 ( 1 + —
I2 = f t2dH = i Hdt2 = - ^ x8
рЖ2
00
Выражения для интегралов /1 и /2 получены из условия
сю 5
I Иdt = у ¿¿И.
00
Отсюда интенсивность струйной промывки деталей определяем
как
рЖ2
Ш2астр = -ршЧ^^, (9)
----Ъ 1+—
2р Ж х8
где ш2 — поправочный коэффициент.
В основе снижения концентрации в ванне погружения лежит диффузионный процесс, который описывается дифференциальным уравнением
дС _ д2С дг П дх2,
где п — коэффициент диффузии, х — координата точки пленки отмываемого компонента, г — время диффузии.
Оценить интенсивность диффузионной очистки можно в предпо-
д2 С С
ложении, что —— ~ — .В результате уравнение диффузии примет
дх2 82
вид
dC C = ^эП
dt
¿2'
где — поправочный коэффициент.
Для границы раздела отмываемый компонент-вода в рамках сделанных допущений получаем решение
где апог =
ШээП S2
С4 = С2 exp (-аПоГ^), , — поправочный коэффициент.
(10)
И наконец, представляет интерес описание накопления концентрации отмываемого компонента в баках ступеней промывки при длительной эксплуатации гальванической линии.
Составим баланс масс в баке струйной промывки. В каждый момент времени масса жидкости в баке складывается из массы промывной жидкости, находившейся в баке (р + K*) и массы жидкости, удаленной струей с поверхностей деталей (р + Ci-1) A5S. Эту массу можно представить как (р + K* + AK0) ($ + ASS), где AK0 — изменение концентрации в баке после промывки одной подвески.
В этом случае закон накопления концентрации в баке можно записать как
ЯК* N
= (С -1 — К**)-(11)
dt,
1 +
A8S
где N — число подвесок, подвергаемых струйной промывке в 1 ч; ¿экс — время эксплуатации гальванической линии после смены воды в баке струйной промывки.
Решение уравнения (11) имеет вид
( \
к* = K0 + (C-1 - K0)
1 — exp
Nt,
V
1 +
ms/ J
(12)
где К*0 — исходная концентрация ООК в промывной жидкости в г-й ступени промывки.
Аналогичное соотношение можно получить для ванны, предназначенной для промывки погружением (г = 4):
Ki=4 = (C2 — K0)
1 — exp
u4Sö4Nt3 0
+ K *
+ K iO,
(13)
где ш4 — поправочный коэффициент.
При медленном накоплении концентрации выражения (12) и (13) приобретают следующую линейную форму:
Мэкс
к; = ко + (Ci-i - КО)
1+ *
S Д8
К«=4 = (С2 - Кго) -^--+ Кг0.
В результате экспериментального исследования накопления ООК в ванне промывки погружением при никелировании получена зависимость
К=4 = 0,000118гэкс,
где ¿экс — время эксплуатации ванны для промывки погружением операционного модуля в часах.
Таким образом можно сделать следующие выводы.
1. Установленные закономерности по изменению концентрации электролита на поверхностях деталей и в системе распределенной промывки являются основой при разработке ресурсосберегающих операционных модулей никелирования гальванического производства.
2. Предложенный подход может быть использован при изучении таких процессов гальванохимической обработки, как обезжиривание, травление и другие, в том числе при обработке мелких деталей в технологических приспособлениях в виде перфорированных барабанов.
Работа выполнена в рамках проекта № 2.1.2/1398 аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гибкие автоматизированные гальванические линии: Справочник / Под общ. ред. В.Л. Зубченко. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.
2. А л е к с е е в А. Н. Метод проектирования оптимальной структуры системы распределенной многоступенчатой струйной противоточной промывки бессточной линии гальванохимической обработки и/или очистки общего вида // Новые промышленные технологии. - 2003. - № 5. - С. 14-23.
3.Алексеев А. Н., Тарасов В. А. Аналитическое описание конструктивно-технологических параметров высокоэффективных насадков и операций струйной очистки в процессах гальванохимической обработки // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2003. - № 4. - С. 84-95.
4. А л е к с е е в А. Н., Т а р а с о в В. А. Разработка и внедрение струйной пакетной технологии для очистки поверхностей деталей на предприятиях машиностроительного комплекса // Инженерный журнал: Справочник. - 2003. - № 12. -С. 6-10.
5. М а с л о в Н. Н., П л у т о в В. И. Прогрессивные способы очистки деталей. -Л.: ЛДНТП, 1971.-36 с.
6. Тарасов В. А., Алексеев А. Н., Филимонов А. С., Королев А. Н. Технологические факторы гидроструйной очистки поверхностей деталей в операционном модуле гальванического производства / Полет. - 2009. - № 12.
Статья поступила в редакцию 12.10.2010
Владимир Алексеевич Тарасов родился в 1946 г., окончил в 1969 г. МВТУ им. Н.Э. Баумана. Д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой "Технологии ракетно-космического машиностроения". Автор более 150 научных работ в области технологии машиностроения.
Tarasov V.A. (b. 1946) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1969. D. Sc. (Eng.), professor, head of "Technologies of Rocket and Space Machinery" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 150 publications in the field of production engineering of machinery.
Андрей Николаевич Алексеев — д-р техн. наук. Автор более 100 научных работ в области гальванического производства.
A.N. Alekseev — D. Sc. (Eng.), author of more than 100 publications in the field of galvanic production.
Александр Николаевич Королев родился в 1978г., окончил в 2002 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Ассистент кафедры "Технологии ракетно-космического машиностроения". Автор 7 научных работ в области неразрушающего контроля и гальванического производства.
A.N. Korolev (b. 1978) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2002. Post-graduate of "Technologies of Rocket and Space Machinery" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of 7 publications in the field of nondestructive inspection and galvanic production.
Юрий Анатольевич Цебро родился в 1979 г., окончил в 2003 г. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор 5 научных работ в области технологии машиностроения.
Yu.A. Tsebro (b. 1979) graduated from the Bauman Moscow State Technical University in 2003. Author of 5 publications in the field of production engineering of machinery.
П ti
