CC BY
48
Сложив выражения (2), (4), (7) и (9), найдем суммарную ошибку скольжения е3, происходящую от зазоров в кинематических парах механизма,
г 3 = г3 (ео) + г 3 (eA) + г 3 (ев) + г 3 (e„)
В соответствии с данной методикой определения ошибок прямолинейно-огибающего механизма составлена программа в математической среде Maple, позволяющая автоматизирована определять суммарные ошибки отклонения и скольжения, вызванные наличием зазоров при известных значениях зазоров в шарнирах.
Проанализировав влияние каждой первичной ошибки, происходящей от зазора в шарнире и поступательной паре механизма на отклонение и скольжение, можно сделать следующие выводы:
— наибольшее влияние на скольжение механизма оказывают ошибки, происходящие от зазоров в шарнире B и поступательной паре. Зазоры шарнира В и поступательной пары требуют особого внимания при назначении допуска и изготовлении действительных механизмов, в которых нежелательно скольжение;
В связи с обострением экологической ситуации, представляют большой интерес технологии, позволяющие перерабатывать отходы производства. Для удаления прокатной окалины с поверхности низкоуглеродистых сталей широко используется химическое травление в растворе серной кислоты (СРТ). Образовавшиеся после травления растворы содержат большое количество FeSO4. При небольших объёмах производства эти растворы чаще всего сливают в окружающую среду. Применение электролиза является одним из возможных способов извлечения из отработанных СРТ железа с одновременной регенерацией травильных свойств отработанного сернокислого раствора травления (увеличение концентрации серной кислоты). Использование вибрации катодов специальной формы в электролитической ванне позволяет извлекать железо из отработанных СРТ в виде дисперсного осадка (порошка) [1]. Метод не требует сложного оборудования и позволяет
— негативное влияние ошибки на отклонение механизма, происходящей от зазора в шарнире А, можно компенсировать позитивным влиянием ошибки, происходящей от погрешности в размере звена г1, при условии, что звено выполнено с погрешностью в сторону удлинения;
— негативное влияние всех ошибок скольжения можно компенсировать положительным влиянием на скольжение механизма ошибкой, происходящей от отклонения в размере звена Я. Поэтому назначение допуска на размер Я рекомендуется делать последним, исходя из суммарного скольжения механизма, после анализа влияния всех остальных отклонений в действительном механизме.
Литература
1. Бруевич Н. Г. Основы теории точности механизмов / Н. Г. Бруевич, В. И. Сергеев, Е. А. Право-торова; АН СССР; Ин-т машиноведения им. А. А. Благонравова; отв. ред. П. Н. Белянин. М., 1988.
2. Владимиров А. В. Точность приближенных прямолинейно-огибающих механизмов / А. В. Владимиров, С. А. Кузнецов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2004. № 2. С. 86-89.
г.
создать замкнутый производственный цикл в условиях цехов, имеющих участки кислотного травления проката. Себестоимость электролитического порошка при этом существенно снижается.
Экспериментальна часть
Отработанные СРТ проката содержали около 300 г/л сульфата железа (II) при остаточном содержании серной кислоты 1,2 г/л, что позволяет проводить осаждение металла без дополнительного использования железосодержащего сырья. Для одновременной регенерации травильных свойств раствора необходимо применять схему электролиза с применением нерастворимых анодов, на которых происходит образование кислоты [2]. Электролиз отработанного СРТ вели с применением свинцовых нерастворимых анодов и вибрирующего рифленого катода из титана, позволяющего интенсифицировать процесс
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса,
г. Шахты_7 ноября 2006
УДК 621.762.274:621.35
УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ТРАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОКАЛИНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ
© 2007 г. Ю.Г. Дорофеев, М.В. Корчагина, A.A. Науменко, Л.М. Радикайнен
выделения порошка в условиях непрерывно изменяющейся концентрации раствора.
Эффективность ведения электролиза в исследуемой системе с получением железного порошка оценивали выходом по току порошка Вт, %, который определяли весовым методом с точностью до 10-4 г относительно теоретически возможного [3]. Эксперименты проводили в электролизере со съёмными разделительными диафрагмами из пористой керамики [4].
Одной из характерных особенностей исследуемого процесса электролиза является непрерывное изменение концентрации соли железа и серной кислоты. Уменьшение количества сульфата железа требует активного перемешивания электролита, осуществляемого за счет вибрации катода. Применение вибрирующего катода, помимо перемешивания раствора, позволяет работать с большими плотностями тока, необходимыми для получения мелкодисперсных осадков, не требующих дальнейшего измельчения. Благодаря вибрации катода в ванне создаются циркулирующие потоки, усиливающие конвекцию продуктов электролиза. Образующиеся на аноде ионы Fe3+ легко переносятся к катоду, активно идет реакция Бе3+ ^ Бе2+, имеющая более положительный
потенциал
(E
0
Fe3+/Fe:
70
"Fe2+/Fe°
=-0,44 B),
-+0,77В), чем потенциал выделения металлического железа (
что наряду с выделением водорода снижает выход железного порошка по току. Смешивание ка-толита и анолита в ячейке электролиза, приводит к повышению кислотности раствора рН<2, а эффективное выделение порошка железа происходит при рН — 2—4 [3]. Отделение регенерирующейся на аноде кислоты при ведении процесса с интенсивным перемешиванием электролита (вибрирующий катод) без разделения пространства ячейки не представляется возможным. Для одновременного получения железного порошка и регенерированной кислоты необходимо предотвратить смешивание католита и анолита и организовать раздельную их циркуляцию, для этого следует разделить межэлектродное пространство. При разделении межэлектродного пространства концентрация образующейся кислоты не влияет на выход порошка по току.
Основными параметрами, влияющими на эффективность электролиза, являются плотность тока ] и температура электролита t. Влияние указанных параметров на выход железного порошка показано на рис. 1.
Полученную графическую зависимость можно описать эмпирическим уравнением, позволяющим рассчитать предполагаемый выход по току железного порошка в исследованных интервалах
Анализ полученной зависимости показывает, что максимальный выход по току достигается в интервале плотностей тока 0,8—1,2 А/см2 и температур 50—70 оС. Уменьшение выхода порошка при плотностях тока выше 1,2 А/см2 связано со снижением перенапряжения выделения водорода. Выделение водорода, являясь параллельной реакцией осаждения железа из кислых электролитов, оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели процесса [5, 6].
Рис. 1. Зависимость выхода по току Вт, %, от температуры электролита °С и катодной плотности тока ], А/см2
Учитывая значительное испарение электролита при повышенных температурах и технологическую сложность поддержания высоких температур в ванне электролиза, можно рекомендовать следующие режимы электролиза: у'=0,8—1,2 А/см2, t электролита 50—60 оС. Указанные режимы электролиза позволяют осаждать порошок железа из отработанных СРТ с выходом по току не менее 65 %. Химический состав железного порошка представлен в табл. 1.
Таблица 1 Химический состав порошка железа
Хим. элемент, % Fe C Si S P Mn O Нерает-вори- оетаток
Регенерация СРТ 97,898,5 0,040,06 0,010,2 0,0220,03 0,0150,027 0,13 -0,14 0,570,55 0,40,45
BT=41,747+68,98 t-0,466 j - 39,829 t2 --0,058 t j+0,009 j2.
(1)
Типичный вид электролитического осадка железа представлен на микрофотографии (рис. 2). Размеры частиц порошка железа менее 0,1 мкм.
Возможность использования смеси анолита и католита, образующихся в процессе получения порошков железа электролизом, в качестве раствора удаления окалины с поверхности проката исследовали методами изменения во времени потенциала £° и убыли массы образца при травлении. Процесс и кинетика кислотного травления изучались на образцах катанки из стали Ст3, покрытых технологической окалиной.
' А»
Рис. 2. Микрофотографии частиц порошка.
Увеличение х 1500
Изменение потенциала при травлении стали, покрытой достаточно толстым и плотным слоем окалины (СПО) без трещин и повреждений, показано на рис. 3 а. Как следует из приведенных данных, потенциал электрода изменяется от +0,43 В, проходит через максимум и при т > 75 мин смещается в область отрицательных значений.
Зависимость изменения потенциала во времени (рис. 3 6) для образцов, изготовленных из катанки (Ст3) диаметром 7 мм, в исследуемом растворе (15 % раствор Н^04) отличается от приводимой в [7, 8] (рис. 3 а). Начальный потенциал образца, покрытого окалиной (рис. 3 6), составляет —0,05 В и сдвигается в положительную сторону. Причем, впервые 7 мин наблюдаются осцилляции потенциала. Это обусловлено наличием пор и повреждений в оксидной пленке и их периодическим заполнением раствором или пузырьками водорода. С увеличением времени травления колебания потенциала прекращаются и он сдвигается до —0,1 В. Эта величина приближается к потенциалу травления стали, т.е. оксидная пленка практически полностью разрушается. Остающиеся на поверхности пятна не растворившейся окалины отделяются механически и не влияют на изменение потенциала.
В процессе электролиза порошков железа с разделенным пространством ванны в анодном пространстве происходит регенерация серной кислоты, обогащенной ионами трехвалентного железа. В момент остановки электролиза анолит содержит 100 —110 г/л Н^04. Раствор, находящийся в катодном пространстве, состоит из остатка сульфата железа, извлечение которого экономически не эффективно, и небольшого количества серной кислоты, продиффундировавшей в него из анодного пространства. При возвращении на участок травления растворы, образующиеся в катодном и анодном пространствах электролизера, смешиваются, и регенерированный раствор имеет следующий химический состав, г/л:
Н^04 - 50 - 60; FeSO4 - 65 - 70;
Fe2(S04) + Fe(0H)з - 65 - 72.
а)
в,в 0,2
30 60 90 т,мин
6)
Рис. 3. Изменение во времени потенциала
образцов катанки покрытых окалиной, при травлении в 15 %-й Н^04 при 25 оС
Сравнение химического состава регенерированного раствора травления с раствором, используемым по технологии травления катанки из стали Ст3, показывает, что в процессе электролиза регенерируется до 30 % Н^04, концентрация сульфата железа (II) находится на уровне остаточного содержания этой соли в ванне травления при обычной технологии. Раствор обогащен ионами Fe3+, которые в процессе травления реагируют с выделяющимся водородом и восстанавливаются до Fe2+. Для ускорения процесса травления и более полного соответствия его режимам, указанным в технологической инструкции, рекомендуется добавление воды и серной кислоты в полученный раствор до требуемой концентрации [9].
Исследования травления СПО в регенерированном растворе показали, что изменения потенциала имеют нестабильный характер (рис. 4). Осцилляции потенциала, наблюдаемые в растворе после его регенерации, обусловлены явлениями, отличными от травления стали в растворе серной кислоты.
После регенерации электролит содержит значительное количество ионов Fe3+, рН гидратооб-разования которых около 1. Поэтому одновременно в порах оксидной пленки возможно протекание нескольких процессов: травления стали, восстановления ионов Fe3+ до Fe2+ и образования гидрата железа Fe(0H)3. В связи с тем, что при травлении окалины и собственно металла величина рН уменьшается, в порах оксидной пленки начинается протекание реакции
Fe3+ + 3OH ^ Fe(OH)3
(2)
В результате потенциал смещается то в более электроотрицательную область (травление стали), то в область положительных значений, соответствующих протеканию реакции (2) и восстановлению Fe3+. Концентрация электролита вблизи травимой поверхности меняется скачкообразно вследствие заполнения пор продуктами реакций травления с их последующей диффузией в объем электролита. Периодическое снижение концентрации ионов водорода приводит к повторению описанных явлений. При снижении концентраций ионов Fe3+ в процессе работы электролита период осцилляций увеличивается. После практически полного восстановления ионов трехвалентного железа колебания потенциала прекращаются и потенциал определяется реакцией травления стали.
Рис. 4. Изменение во времени потенциала Е0
образцов катанки, покрытых окалиной, при травлении в регенерированном растворе при 25 оС
Кинетику травления стали в регенерированном растворе изучали в сравнении с аналогичными растворами, описанными в работах [10, 11], и раствором травления, используемым на производстве. Для этого были испытаны растворы трех составов:
— первый содержал 10—15 % серной кислоты и был близок к условиям, описанным в [10, 11];
— второй имел такую же концентрацию кислоты с добавлением 20 % FeSO4 и был близок по составу к раствору, используемому на производстве;
— в качестве третьего состава брали регенерированный раствор.
Результаты эксперимента показаны на рис. 5. Полученные графические зависимости травления стали, покрытой окалиной (СПО), в растворе серной кислоты не противоречат данным, описанным в литературе при подобных условиях травления [10, 11].
Окалина на исследуемых образцах из катаной стали Ст3 (ГОСТ 30136—95), имеет не сплошную
макроструктуру, а множество трещин и царапин, образующихся в результате скручивания её в бурты и транспортировки. Этим объясняется некоторая размытость границ периодов травления.
Д m/Sp мг/см-14
Рис. 5. Кинетика травления стали Ст 3, покрытой окалиной, при г=50 °С, без изоляции концов в растворах (г/л): 1 —Н^04 — 10—15; 2 — Н^04 — 10-15, FeS04 — 200; 3 — регенерированный раствор Н^04 — 50-60, FeS04 — 70-80, Fe2(S04)3 — 60-70
Первый период травления, характеризующийся медленной потерей массы, что обусловлено диффузией электролита к металлу и реакциями взаимодействия оксидов с кислотой, при травлении катанки с большим количеством повреждений в слое окалины отсутствует. Параллельно с ним происходит реакция травления стали. Влияние соли железа в растворе кислоты той же концентрации на кинетику травления СПО незначительно (рис. 5, кривая 2).
Рассматривая кривую потери массы образца при травлении в регенерированном растворе (рис. 5, кривая 3), можно провести аналогию с кривыми, полученными при травлении образцов катанки в растворах, соответствующих составам 1, 2 (рис. 5, кривые 1, 2). Просматривается периодизация травления стали, присущая исходному раствору, с более четко выраженным первым этапом, характеризующимся проникновением кислоты к слою металла через поры и повреждения слоя окалины. В регенерированном растворе начальный период несколько увеличен за счет повышенного содержания солей железа, кристаллизующихся на поверхности образцов и замедляющих проникновение кислоты к слою металла. Границы остальных периодов смазаны, что говорит о совместном протекании химического растворения окалины и ее механического отделения и активного выделения водорода. Время полного стравливания окалины с поверхности стали соответствует времени травления в исходном растворе в присутствии соли железа (рис. 5, кривая 2).
Выводы
По результатам проведенных исследований показана возможность получения порошков железа из
отработанных сернокислых растворов травления с одновременной регенерацией их травильных свойств.
Определены параметры электролиза: плотность тока 0,8—1,2 А/см2, температура электролита 50—60 оС, позволяющие осаждать порошок железа из отработанных СРТ с выходом по току не менее 80—65 %.
Регенерированный раствор содержит 50—60 г/л серной кислоты, обладает удовлетворительной травящей способностью и может быть использован для удаления окалины.
Литература
1. А. с. 219301 СССР, Кл. 42^ 1/04. Излучатель низкочастотных колебаний в жидкую среду / А. В. Бонда-ренко. Опубл. 30. 05. 68, Бюл. № 18.
2. Баймаков Ю. В., Журин А. И. Электролиз в гидро-металлурии. М., 1963.
3. Ваграмян А. Т., Кудрявцев В. Н. О причинах образования электролитических порошков металлов // Журн. прикл. хим. 1962. Т. 35, №7. С. 1546 -1549.
4. Пат. С2 2215710 RU 7 С 04 В 33/22, 38/06. Способ изготовления керамических диафрагм для электролиза водных растворов. № 2001126608; Заявл. 01.10.2001; Опубл.10.11.2003, Бюл. № 31.
5. О закономерностях выделения порошков железа // Изв АН СССР Хим. науки. 1965. №2. С. 263-268.
6. Получение порошков железа из травильных сернокислых растворов электролизом / Ю. Г. Дорофеев, М. В. Корчагина, и др. // Порошковые и композиционные материалы и изделия: Сб. науч. тр. Новочеркасск, 2000. С. 180-182.
7. Афанасьев А. С. Элементы электрохимической теории кислотного травления низкоуглеродистой стали // Матер. науч.-техн. семинара по травлению и обезжириванию труб из сталей и сплавов. М., 1967. С. 23-28.
8. Афанасьев А. С., Хвенченя Г. М. Кинетика сернокислого травления низкоуглеродистой стали, покрытой окалиной // Матер. науч.-техн. семинара по травлению и обезжириванию труб из сталей и сплавов. М., 1967. С. 51-55.
9. Юхвец И. А. Волочильное производство. М., 1965.
10. Режим травильных ванн и кислотная коррозия железа / В. Я. Карницкий, В. А. Яковлев и др.; Ростовский ин-т с-х. машиностроения. Ростов н/Д, 1964.
11. Удаление окалины с поверхности металла / Н. П. Жетвин, С. Раковская и др. М., 1964.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт)_23 ноября 2006 г.
