Курсовой проект (работа)

Курсовой проект (работа) по технологии электрохимических производств – это самостоятельная творческая работа студента перед дипломным проектированием. По объему курсовой проект (работа) отличается от дипломного, но в нем имеются элементы, которые необходимы при выполнении дипломного проекта, например, тепловой и материальный балансы, расчет напряжения на электролизере и т.п. Поэтому курсовой проект (работа) имеет целью обучить студента основным элементам реального проектирования.

Базой для выполнения курсового проекта (работы) являются знания, полученные студентами по естественнонаучным (физическая химия), общепрофессиональным (процессы и аппараты химической технологии, применение ЭВМ в технологических расчетах) и специальным (теоретическая электрохимия, основы электрохимической технологии, оборудование и основы проектирования, функциональная гальванотехника) дисциплинам, а также навыки, приобретенные при прохождении производственной практики.

В процессе самостоятельной работы над проектом (работой) студент должен пользоваться литературными источниками – учебниками и учебными пособиями, справочниками и проектными материалами.

Целью выполнения курсового проекта является:

- закрепление и углубление знаний, полученных при изучении специальных дисциплин;

- приобретение навыков работы с оригинальной технической литературой, включая журнальную и справочную;

- выработка умения анализировать и критически воспринимать литературный материал, делать выбор наиболее целесообразного варианта технологии и оборудования электрохимического производства того или иного продукта или продукции;

- приобретение умения выполнять инженерные расчеты в любом из разделов электрохимической технологии.

1.1.1. Тематика курсовых работ

Темой курсовой работы по дисциплине «Основы электрохимической технологии» является выбор источника питания по результатам расчета напряжения на промышленном электролизере.

Темой курсовой работы по дисциплинам «Оборудование и основы проектирования» и «Применение ЭВМ в технологических расчетах» является расчет материального или теплового баланса промышленного электролизера.

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки объемом 15- 30 листов машинописного текста. В содержание пояснительной записки входит выбор технологического режима процесса на основе обзора литературных источников, алгоритм решения поставленной задачи, анализ полученных результатов и предложения по выбору оборудования или рекомендации по обслуживанию электролизера.

1.1.2. Тематика курсовых проектов

Темой курсового проекта по дисциплине «Функциональная гальванотехника» или «Технология защиты металлов от коррозии» является расчет электрохимического аппарата (установки, агрегата).

Задание на курсовой проект студент дневной формы обучения получает перед отъездом на практику, где изучает производство в соответствии с темой задания, собирает необходимые для проектирования сведения.

В содержание проекта входит выбор на основе обзора литературы оптимального технологического варианта, характеристика детали, выбор вида и толщины покрытия в гальваническом производстве, эскизный расчет основных параметров электролизера, расчет материального баланса, баланса напряжения и теплового баланса электролизера.

Курсовой проект должен быть представлен расчетно-пояснительной запиской и графической частью. Объем пояснительной записки курсового проекта составляет 20-40 листов машинописного текста. В графической части (2 листа формата А1) должны быть представлены чертежи технологического аппарата в трех проекциях и деталировка. Схема технологического процесса в отдельных случаях, по указанию преподавателя, дается на отдельном листе, но чаще прилагается к пояснительной записке.

Структура пояснительной записки:

1. Введение.

2. Обзор литературы.

3. Обоснование выбранного варианта технологии и конструкции электролизера.

4. Технологическая схема.

5. Расчет оборудования.

6. Материальный баланс электролизера.

7. Расчет напряжения на электролизере и выбор выпрямителя.

8. Тепловой баланс электролизера.

9. Заключение.

10. Список литературы.

11. Приложения.

1. Во введении необходимо кратко охарактеризовать практическое значение продукта или продукции, дать оценку современного состояния решаемой в проекте научно-технической проблемы, обосновать необходимость выполнения проекта; показать актуальность и новизну темы. Четко сформулировать цель и задачи, решаемые в проекте (работе) и являющиеся предметом защиты. Ориентировочный объем введения 1-2 листа.

2. В обзоре литературы по теме проекта должны быть отражены следующие вопросы:

Характеристика продукта: основные физико-химические свойства, а также технические требования, предъявляемые к получаемому продукту.

Теоретические основы производства: электродные процессы и их механизм, влияние различных факторов (технологических и конструктивных) на напряжение на ванне, выход по току и качество продуктов электролиза.

Технологические варианты. Представленный материал должен носить характер краткого критического обзора. Здесь не требуется последовательно и подробно описывать технологию производства и конструкции электролизеров. Главное – отметить существенное, характерное, то, что определяет преимущества и недостатки объекта. Основу литературных первоисточников должны составлять не учебники и учебные пособия, а монографии, журнальные статьи, авторские свидетельства и патенты, отчеты научно-исследовательских работ, а также материалы производственной практики. К работе следует привлекать материалы реферативного журнала «Химия». В тексте обзора литературы следует широко применять графический и табличный материал первоисточников, который позволяет обосновать оптимальность выбранных условий.

3. Раздел «Обоснование выбранного варианта технологии и конструкции электролизера» содержит материал, представляющий собой обсуждение результатов обзора литературы. Здесь требуется обосновать вариант, который автор проекта берет за основу, показать его оптимальность.

4. В разделе «Технологическая схема» дается максимально конкретное и последовательное описание выбранного технологического варианта.

5. Расчет оборудования предполагает определение количества электролизеров, необходимых для выполнения годовой программы, а также расчет основных размеров самого электролизера.

6. Цель материального баланса электролизера рассчитать изменение концентрации компонентов электролита в процессе работы и предложить способ и периодичность корректировки состава электролита. Кроме того, на основе материального баланса возможно рассчитать периодичность замены анодов или выгрузки катодов (в производствах по получению металлов методами электрорафинирования и электроэкстракции).

7. Результаты расчета напряжения на электролизере позволяют произвести выбор источника постоянного тока (выпрямителя).

8. На основе расчета теплового баланса делается заключение о целесообразности установки нагревательных или охлаждающих устройств для поддержания заданного температурного режима работы электролизера.

Защита курсового проекта осуществляется комиссии. При защите проекта студенту отводится для доклада 10-15 минут. За это время он должен сообщить основные данные по проекту, доложить результаты технологических расчетов.

1.2. ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ (РАБОТА)

Дипломное проектирование завершает теоретическое и техническое образование студента в высшей школе и заключается в самостоятельном выполнении им большой творческой работы, являющейся проверкой его подготовки. При выполнении дипломного проекта (работы) студент должен показать умение применить приобретенные им теоретические знания и практические навыки для научно-обоснованного решения технологических или научно-исследовательских задач, проведения экономических расчетов, выбора мероприятий по техники безопасности, решения вопросов экологии и охраны окружающей среды.

1.2.1. Тематика дипломных проектов (работ)

Проект должен быть реальным, то есть в нем должны разрабатываться современные процессы, актуальные для науки и производства. В проекте должны быть элементы новизны и самостоятельного творчества. В качестве проекта может быть выдан проект цеха, отделения электролиза или электрохимической установки. Задание может предусматривать реконструкцию или модернизацию цеха или отделения электролиза.

Дипломная работа должна являться логическим продолжением научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре ТЭХП, в филиале кафедры в институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН или в других научно-исследовательских учреждениях.

Дипломный проект (работа) должен быть представлен расчетно-пояснительной запиской и графической частью. Объем пояснительной записки дипломного проекта составляет 60-80 листов машинописного текста. Графическая часть дипломного проекта (работы) представляет собой 7-9 листов формата А1.

Обязательные разделы пояснительной записки к дипломному проекту:

Титульный лист.

Содержание.

Реферат.

Перечень листов графических документов.

Перечень условных обозначений.

Введение.

1. Технико-экономическое или техническое обоснование проекта.

1.1. Обзор существующих методов производства. Сопоставление известных способов и выбор оптимального способа.

1.2. Технологическая карта (регламент) процесса.

1.3. Исходные данные.

2. Технологические расчеты.

2.1. Расчет основного оборудования.

2.2. Материальный баланс.

2.3. Электрический баланс (расчет напряжения на электролизере).

2.4. Тепловые расчеты электролизера.

3. Раздел по автоматическому регулированию параметра (параметр задается руководителем или выбирается самостоятельно).

4. Экономические расчеты.

5. Безопасность и экологичность проекта.

6. Энергосбережение

7. Заключение или выводы.

8. Библиографический список.

9. Приложение

Обязательные разделы пояснительной записки к дипломной работе:

Титульный лист.

Содержание.

Реферат.

Перечень условных обозначений.

Введение.

1. Обзор литературных источников.

1.1. Обоснование необходимости проведения исследований.

1.2. Анализ, имеющихся в литературе сведений по изучаемому вопросу.

1.3. Выводы по обзору литературы. Цели и задачи, решаемые в дипломной работе.

2. Экспериментальная часть.

2.1. Методика исследований и обработка результатов.

2.2. Метрологическое обеспечение эксперимента. Оценка погрешности измерений.

2.3. Описание проведенных исследований и экспериментальные данные.

2.4. Обработка и анализ результатов измерений.

2.5. Выводы по экспериментальной части.

3. Технологические расчеты (по согласованию с руководителем).

4. Экономические расчеты научных исследований или проектируемого производства.

5. Безопасность и экологичность исследований.

6. Заключение или выводы.

7. Библиографический список.

8. Приложение.

Пояснительная записка является единственным документом, в котором излагаются исчерпывающие сведения о выполнении задания на дипломный проект (работу). Общие требования к пояснительной записке: логическая последовательность изложения материала, убедительная аргументации, краткость и точность формулировок, конкретность изложения результатов проектирования или исследований, доказательность выводов и обоснованность рекомендаций, грамотность изложения. Количество разделов пояснительной записки дипломного проекта или работы может корректироваться преподавателем в зависимости от темы проекта (работы).

К основным частям пояснительной записки предъявляются следующие требования.

Содержание определяет последовательность расположения материала проекта (работы) по разделам с указанием страниц. Пример оформления содержания приведен в Приложении 1. Разделы обозначаются арабскими цифрами (1, 2, 3…) в порядке расположения их в тексте. При наличии подразделов вводят дополнительную нумерацию соответствующих подразделов в порядке принадлежности к разделу (3.1, 3.2 …).

Реферат должен содержать сокращенное изложение существа проекта и перечень ключевых слов (см. Приложение 2). Перечень ключевых слов должен характеризовать содержание реферируемого проекта (работы) и состоять из 5-10 слов в именительном падеже, напечатанных в строку прописными буквами через запятую. Текст реферата должен отражать объем исследования или проекта, цель работы, методику и аппаратуру, полученные результаты и их новизну, рекомендации по внедрению, эффективность, основные конструктивные и технико-экономические характеристики. В реферате указывается общее количество страниц пояснительной записки, число таблиц, рисунков и библиографических ссылок Оптимальный объем реферата не более 2000 знаков.

Перечень листов графических документов составляется по форме: номер по порядку, наименование, обозначение, формат документа.

Перечень условных обозначений, символов составляется следующим образом: слева располагаются символы, справа – расшифровка и размерность.

Требования к содержанию и объему введения изложены выше в разделе, касающемся курсовых работ.

1.2.2. Основная часть пояснительной записки дипломного проекта

Технико-экономическое обоснование выбора схемы технологического процесса и основных исходных данных, принимаемых при проектировании, составляется на основе аналитического обзора литературных источников, патентной проработки и передового производственного опыта. Описание существующих технологических схем и процессов дается в записке в сжатом виде и в объеме, который необходим для их критического обсуждения и выбора оптимального варианта. Данный раздел обязательно должен содержать теоретическое описание электродных процессов (кинетика электродных процессов, механизм действия ПАВ и т.д.). Чрезвычайно важно включить в проект материалы собственных лабораторных и заводских исследований. Технологическая карта (регламент) процесса должна содержать краткое описание основных технологических операций с обязательным представлением уравнений химических и электрохимических реакций. В завершении раздела указываются исходные данные и цели проектирования.

Раздел технологических расчетов составляет основную часть дипломного проекта и в зависимости от природы процесса может иметь свои особенности, однако указанные ниже расчеты являются обязательными для основных электрохимических производств.

Выбор и описание оборудования цеха или отделения электролиза. Расчет стандартного оборудования, обоснование его конструкции и габаритов. Характеристика детали, выбор вида и толщины покрытия в гальваническом производстве.

Расчет и анализ материального баланса основного электрохимического аппарата. Расчет времени нанесения покрытия и определение периодичности замены анодов для гальванических производств. Обоснование необходимости корректировки электролита, предложения по ее осуществлению. Для гидрометаллургических производств рассчитывается время выгрузки катодов и скорость циркуляции электролита.

Электрический баланс предполагает расчет напряжения на электролизере. Обоснование необходимого напряжения в серии и в цехе. Электрические расчеты ошиновки ванн. Расчет и выбор источников тока. Схема подвода тока к ванне, серии ванн и по цеху в целом.

Тепловые расчеты электролизера включают в себя расчет теплового баланса ванны и на его основе обоснование необходимости использования греющего или охлаждающего теплообменника. Затем проводится расчет количества пара или воды, необходимых для нагрева или охлаждения электролита.

Выбор методов контроля и автоматизации производства для сохранения оптимальных параметров и режимов: температуры, плотности тока, рН раствора, напряжения и т.п. Параметр, величину которого предполагается автоматически регулировать, выбирается по согласованию с преподавателем.

В разделе экономических расчетов проводится экономическое обоснование проектируемой технологии, расчет экономической эффективности проекта, себестоимость продукта или передела.

В разделе «Безопасность и экологичность проекта» необходимо отразить следующие вопросы: эргономичность проекта, улучшение условий труда и снижение загрязненности окружающей среды от внедрения разработанного оборудования и технологических процессов, прогнозирование чрезвычайных ситуаций.

Необходимо указывать нормативные количественные значения параметров объектов, разработанных или исследованных в дипломном проекте, влияющих на условия труда работающих и характеризующих загрязнение окружающей природы, а также, по возможности, приводить фактические числовые значения этих параметров по теме дипломного проекта.

В разделе экологии и охраны окружающей среды должна быть дана характеристика сточных вод, их количество, методика и химизм их очистки с учетом принятых норм. Конструктивные решения аппаратуры для отделения очистки сточных вод. Предусмотреть схему очистки сточных вод (реагентная, биологическая, ионоселективная, электрохимическая, комбинированная и др.).

Заключение пояснительной записки должно содержать:

- краткие выводы о результатах выполненной работы,

- оценка степени полноты решения поставленных задач,

- оценку технико-экономической эффективности или научной ценности результатов работы,

- предложения по использованию результатов работы на предприятиях отрасли.

В тексте пояснительной записки обязательны ссылки на использованные литературные источники. В технической литературе обычно используется сквозная нумерация источников по мере того, как ссылка на них появляется в тексте. Номера источников указывают в квадратных скобках. Библиографический список составляют в соответствии с ГОСТ 7.1-84.

Некоторые расчеты и громоздкие таблицы могут быть оформлены в виде приложений.

1.2.3. Основная часть пояснительной записки дипломной работы

В обзоре литературных источников необходимо подробно рассмотреть современное состояние решаемой научно-практической проблемы. На основе анализа научной литературы и результатов патентного поиска дать сравнительную оценку имеющихся и предлагаемых методов решения задачи. В выводах по обзору литературы нужно сформулировать необходимость выполнения дипломного проекта цели и задачи исследования.

Экспериментальная часть дипломной работы обязательно должна содержать описание методики экспериментов, аппаратуры и приборов, а также методики оценки погрешности измерений.

Результаты экспериментов представляются в виде таблиц и графиков с указанием погрешности измерений. Проводится статистическая обработка результатов измерений. Данные представленные в таблицах и на графиках не должны дублировать друг друга.

Обработка и анализ экспериментальных данных предполагает описание методов расчетов, сопоставление экспериментальных результатов с данными справочников или с данными других исследователей. На основе анализа полученных данных делается заключение о степени полноты решения поставленной задачи и о необходимости проведения дальнейших исследований.

В конце экспериментальной части формулируются основные выводы по работе. Они могут также быть представлены в виде заключения.

В разделе «Технологические расчеты» могут быть представлены соображения о конструктивном инженерном оформлении процесса, исследованного в работе.

В разделе экономических расчетов проводится экономическое обоснование эффективности научных исследований с учетом затрат на их проведение.

1.2.4. Графическая часть дипломных проектов (работ)

Перечень графических документов для дипломного проекта:

Технологическая схема проектируемого процесса - 1 лист.

Чертеж общего вида электрохимического аппарата в трех проекциях с необходимой деталировкой узлов – 2-3 листа.

Чертеж неэлектрохимического аппарата - 1-2 листа.

Эскизный проект размещения проектируемого оборудования в цехе – 1 лист.

Вспомогательное оборудование (по согласованию с руководителем) – 1 лист.

Схема очистки сточных вод и оборотного водоснабжения – 1 лист.

Таблица результатов экономических расчетов – 1 лист.

Электрическая схема регулирования параметра электролиза (по согласованию с преподавателем) – 1 лист.

Для дипломной научно-исследовательской работы комплект иллюстрационных материалов должен включать графики и таблицы с экспериментальными данными, схему экспериментальной установки, плакат с основными теоретическими положениями работы, чертеж лабораторного или промышленного электролизера (по согласованию с преподавателем).

2. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Основу задания на дипломное проектирование составляет, как правило, годовая производительность того или иного цеха или участка электролиза. Расчет оборудования в этом случае заключается в нахождении количества электролизеров, необходимого для выполнения годовой программы, а также в определении основных размеров электрохимического аппарата [1 Варыпаев]. Метод расчета оборудования зависит от режима работы проектируемого производства, которое может быть непрерывным или периодическим [1, 9].

2.1. Расчет времени электролиза

Все технологические расчеты начинаются с расчета времени проведения электролиза (времени наращивания осадка или покрытия заданной толщины ). Время электролиза (t, с) рассчитывается по закону Фарадея:

, (2.1)

где m – масса выделившегося на электроде металла, кг;

- плотность металла, кг/м³;

q – электрохимический эквивалент, кг/(А× с);

I – токовая нагрузка на электролизере, А;

- катодная плотность тока, А/м²;

Вт – выход по току в долях единицы.

Плотность некоторых металлов приводится в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Плотность электроосажденных металлических покрытий [1]

Металл	Плотность , кг/м3
железо
кадмий
кобальт
медь
никель
серебро
хром
цинк
бронза
латунь

2.2. Производство с непрерывным режимом работы

К производствам с непрерывным режимом работы чаще всего относятся гидроэлектрометаллургические переделы, то есть получение чистых металлов электролизом, электролиз воды или производство хлора и щелочи. В цехах с непрерывным режимом работы электролиз проводится без остановок. Паузы в работе электролизеров вызваны необходимостью выполнения технологических операций, таких как загрузка и выгрузка электродов, извлечение шлама, замена катодного комплекта или обновление диафрагмы. Кроме того, предусматриваются редкие остановки для выполнения ремонтных работ.

Первым этапом расчета является определение эффективного годового фонда времени работы оборудования, который устанавливается исходя из календарного и номинального фонда рабочего времени.

Календарный фонд времени оборудования Т_к составляет 365 дней или 8760 часов. Номинальный фонд времени оборудования Т_н учитывает время остановки производства Р_с для выполнения ремонта отдельных систем (например, ремонт вентиляции или магистралей отвода продуктов электролиза). В соответствии с данными определениями можно записать:

(2.2)

Годовую производительность электролизера определяет эффективный фонд времени оборудования Т_эф – это продолжительность электролиза за год, отнесенная к одному электролизеру:

, (2.3)

где - простой электролизера в течение года для выполнения капитального, среднего и текущего ремонта;

- суммарная продолжительность остановок в работе электролизера для выполнения регламентных технологических операций.

Эффективный фонд времени можно найти, введя в расчет коэффициент машинного времени:

(2.4)

Таким образом,

. (2.5)

Численные значения Р_с, П_рем и П_тех для каждого производства индивидуальны. Для некоторых гидроэлектрометаллургических производств удобнее пользоваться известными коэффициентами f. Так для цеха электрорафинирования никеля коэффициент машинного времени составляет 0, 93, для цехов рафинирования меди и экстракции цинка примерно 0, 97 [10].

Зная величину эффективного фонда времени электролизеров можно найти их количество. Для этого рассчитывают производительность цеха Р_ч (кг/ч):

, (2.6)

где Р_год – годовая программа выпуска товарного продукта;

k_п – коэффициент потери продукта электролиза на пути от «сырого» (извлеченного из электролизера) к товарному (при очистке, упаковке, для металлов – при отливке чушек и пр.), а также за счет технологического брака; чаще всего k_п=1, 01¸ 1, 02.

Дальнейший расчет может идти двумя путями. Если на производстве используются электролизеры известной конструкции, то по величине катодной плотности тока (i_k), выбранной на основании обзора литературы, можно рассчитать токовую нагрузку (I):

(2.7)

Площадь катодов, если они соединены последовательно, зависит от размеров одного катода (S₁) и их количества (n_k):

, (2.8)

где b – ширина катода, h – высота погруженной части катода (электрод плоский), 2 – коэффициент, учитывающий работу катода с двух сторон.

После выбора токовой нагрузки находят количество электролизеров:

. (2.9)

Если конструкция электролизера неизвестна [1], выбирают токовую нагрузку на электролизер, исходя из литературных данных с учетом основных характеристик источников питания постоянным током. Затем рассчитывают количество электролизеров по уравнению (2.6) и площадь катодной поверхности

. (2.10)

Зная размер погруженной части катодов, находят количество катодов:

. (2.11)

Количество анодов в зависимости от принятой технологии может быть больше или меньше на 1 электрод

или .

Внутренние размеры электролизера зависят от межэлектродного расстояния, размеров электродов и диафрагм, технологических требований, конструктивных и других соображений, которые индивидуальны и для различных производств изложены в соответствующей литературе [11, 12]. В других случаях пользуются производственными данными.

2.2. Производство с периодическим режимом работы

Цеха с периодическим режимом работы не работают в выходные и праздничные дни. Суточный фонд времени зависит от количества смен, которых при 8-ми часовом рабочем дне чаще всего 1 или 2. Единичный технологический цикл (время покрытия) по продолжительности невелик и исчисляется минутами или часами. Такой режим характерен для большинства цехов и участков гальванических производств.

Номинальный фонд времени работы оборудования Т_н при односменной работе может быть рассчитан следующим образом (в часах):

, (2.12)

где - количество выходных дней (суббот и воскресений); - количество праздничных дней; - количество предпраздничных дней; - количество рабочих дней в неделе; - продолжительность рабочей недели в часах.

При двусменной работе номинальный фонд времени удваивается. Эффективный (действительный) фонд времени работы оборудования отличается от номинального на 2-10% в связи с потерями случайного характера. Ремонт оборудования производится в нерабочее время.

Исходя из реального среднегодового фонда времени с учетом совпадающих выходных и праздничных дней для гальванических производств приняты следующие номинальные и эффективные фонды времени работы оборудования (таблица 2.2) [1].

Таблица 2.2

Номинальный и эффективный фонды времени работы оборудования для гальванических цехов

Исходными данными для расчета количества гальванических ванн нанесения покрытия являются: Р_год - годовая программа, м² (кг); Т_эф - действительный фонд работы оборудования, ч; t - время обработки детали, мин [9].

Общее время обработки детали в ванне основного покрытия (время одного технологического цикла) определяется по формуле:

, (2.13)

где t - продолжительность процесса электролиза, мин; t_всп – продолжительность вспомогательных операций, мин.

При нанесении покрытий на мелкие детали (в насыпном виде в барабанах, колоколах, корзинах) расчетное время необходимо увеличить не менее чем на 25-30 %. Более точный расчет времени нанесения покрытия на детали в барабанах и колоколах может быть произведен с помощью метода, предложенного Р.А. Кайдриковым и подробно описанного в учебном пособии Мурашовой И.Б. [13].

Продолжительность процессов анодирования, фосфатирования и оксидирования принимают по техническим условиям. При нанесении химического никеля продолжительность процесса зависит от скорости осаждения покрытия. Время вспомогательных операций зависит от типа оборудования. При непрерывной работе оборудования оно составляет 1-2 мин, а для оборудования, работающего с перерывами, т. е. при малой механизации, 5-10 мин.

Если в задании на проектирование известны y - единовременная загрузка, м² (кг) и тип оборудования, то расчет гальванических ванн производится следующим образом [9Дасоян]. Число загрузок в год зависит от годовой программы Р_год и единовременной загрузки деталей (y) по формуле:

. (2.14)

С учетом этого время, необходимое для обработки (нанесения покрытий) всех деталей равно

. (2.15)

Тогда число ванн основного покрытия рассчитывается следующим образом

. (2.16)

Коэффициент загрузки оборудования (К) должен быть не ниже 0, 85-0, 95.

, (2.17)

где n_пр - принятое число ванн.

Если тип оборудования заранее не известен, то рассчитывают производительность одного технологического цикла (Р_ц) [1]. Для этого, зная эффективный фонд времени и годовую программу, определяют суточную производительность (м² или кг):

, (2.18)

где - количество рабочих часов в сутках (8 – количество часов в смену и m – количество смен в течение суток).

Количество технологических циклов в сутки с учетом длительности обработки детали равно:

. (2.19)

Тогда производительность одного цикла Р_ц составляет (м² или кг):

. (2.20)

Определение производительности одного цикла позволяет принять решение о типе оборудования для нанесения покрытия, а также рассчитать количество гальванических ванн. Например, если производительность одного цикла окажется небольшой, то использование автоматической линии не рационально. С учетом производительности одного цикла можно выбирать стандартную ванну, а затем по величине единовременной загрузки (у), найти количество ванн:

. (2.21)

На ряде предприятий, где объемы гальванического производства невелики, годовая программа отсутствует, а процессы нанесения тех или иных покрытий включаются в работу по мере необходимости (например, раз в неделю или в месяц). В этом случае расчет количества ванн можно производить на основании максимальной суточной потребности (производительности) производства в данном виде покрытий (уравнения 2.19-2.21).

2.2.1. Расчет габаритных размеров ванны основного покрытия [9]

Тип оборудования определяется размерами и массой деталей, производственной программой и схемой технологического процесса. По степени автоматизации оборудование делят на автоматические и механизированные линии и оборудование малой механизации.

К оборудованию малой механизации относят нормализованные, колокольные и барабанные ванны, установки для нанесения покрытий в насыпном виде, стационарные колокола, переносные барабаны и т. п.

Длина нормализованной ванны определяется по формуле

, (2.22)

где L₁ - размер подвески по длине ванны, мм; L₂ - расстояние между подвесками, мм; L₃ - расстояние между торцевой стенкой и краем подвески, мм; n₁ - число загружаемых на одну штангу подвесок.

Расстояние между подвесками в зависимости от конфигурации и размеров деталей принимается в пределах 30-100мм. Расстояние между торцевой стенкой ванны и краем подвески 50-100 мм.

Внутренняя ширина ванны для нанесения электрохимических покрытий определяется по формуле

, (2.23)

где B₁ - максимальный размер детали по ширине ванны, мм; B₂ - расстояние между анодом и ближайшим краем детали, мм; B₃ - расстояние между внутренней стенкой продольного борта ванны и анодом, мм; n₂ - число катодных штанг; n₃ - число анодных штанг; d - толщина анода, мм.

Расстояние между анодом и деталями принимается равным 100-150 мм для плоских деталей и 150-200 мм для деталей сложной конфигурации. Расстояние между внутренней стенкой ванны и анодом при наличии на стенке змеевика берется равным 80-100 мм, в остальных случаях - 50 мм. При толщине анодов 10-15 мм они в расчет не принимаются.

Внутренняя ширина ванн для проведения химических процессов, которые не имеют электродов, определяется по формуле

, (2.24)

где n₄ - число штанг; B₁ - размер подвески с деталями по ширине ванны, мм; B₄ - расстояние между двумя подвесками по ширине ванны, мм; B₅ - расстояние от края подвески до продольного борта ванны, мм.

Внутренняя высота ванны равна

, (2.25)

где H₁ - высота подвески (без подвесного крюка), мм; H₂ - расстояние от дна ванны до нижнего края детали, мм; H₃ - высота электролита над верхним краем подвески, обычно 50 мм; H₄ - расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, мм.

Расстояние от дна ванны до нижнего края детали 150-200 мм, при этом следует учитывать наличие на дне ванны змеевика и барботера. Расстояние от поверхности зеркала электролита до верхнего края бортов ванны принимают 100-150 мм.

По известным размерам ванны можно рассчитать объем электролита:

(2.26)

Определив внутренние размеры ванны, следует откорректировать их в соответствии с размерами нормализованных ванн. Размеры нескольких нормализованных ванн даны в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Внутренние габаритные размеры нормализованных ванн

Мелкие детали обрабатывают в насыпном виде в барабанах и колоколах. Наибольшую сложность представляет расчет гальванических ванн барабанного или колокольного типа.

Исходными данными для расчета барабанного электролизера служит разовая загрузка барабана в м² (реже в кг массы деталей) и степень заполнения барабана деталями [1].

Первоначально находят массу партии деталей одной загрузки. Для этого, зная размер одной детали и площадь ее поверхности, рассчитывают количество деталей в партии. Затем с учетом объема детали и плотности металла определяют массу партии деталей m_дет (массу деталей разовой загрузки барабана). После этого рассчитывается насыпной объем деталей (м³):

, (2.27)

где k_н – коэффициент насыпного объема, который учитывает тот факт, что объем деталей в насыпном виде гораздо выше физического объема деталей. Этот коэффициент в значительной степени зависит от размера и конфигурации детали и, по ориентировочным данным равен 3¸ 10.

Внутренний объем барабана определяют исходя из того, что детали должны заполнять барабан примерно на 30¸ 50%, то есть коэффициент заполнения барабана k_з= 0, 3¸ 0, 5 в долях единицы по данным Варыпаева [1]. В монографии [9] приводятся следующие значения: коэффициент заполнения барабанов равен 0, 25-0, 35 при электрохимическом осаждении покрытий и 0, 5-0, 7 при химических процессах. Окончательно объем барабана равен:

(2.28)

С другой стороны объем шестигранного барабана рассчитывается по формуле:

, (2.29)

где R_б – радиус описанной окружности (рис.2.1), L_б – длина барабана.

Рис. 2.1. Геометрические параметры шестигранного барабана, заполненного деталями.

R_б – радиус описанной окружности, r_б – радиус вписанной окружности,

H_б – высота барабана, h – высота слоя деталей.

Принято соотношение L_б=(3¸ 5)R_б. Если , тогда

.

После несложных преобразований можно получить, что радиус описанной окружности барабана равен:

. (2.30)

Таким образом, известны ширина стороны барабана a=R_б и длина барабана L_б. Зная R_б можно определить высоту барабана H_б, равную диаметру вписанной окружности (d_б):

. (2.31)

Важно также знать высоту слоя деталей (h). В таблице 2.4 приводятся данные для расчета h в зависимости от коэффициента заполнения барабана, то есть от соотношения насыпного объема деталей к полному объему барабана.

Таблица 2.4

Зависимость высоты слоя деталей h от коэффициента заполнения барабана и радиуса R

	0, 20	0, 25	0, 30	0, 35	0, 40	0, 45	0, 50
h/Hб	0, 24	0, 29	0, 34	0, 38	0, 42	0, 46	0, 50
h	0, 42R	0, 50R	0, 59R	0, 66R	0, 73R	0, 80R	0, 86R

При переходе от внутренних размеров к наружным (внешним) длину барабана увеличивают примерно на 100-200 мм, а внешний диаметр на 50-100 мм.

Размеры барабана следует уточнить в соответствии с ГОСТ или выпускаемыми промышленными образцами. Характеристика некоторых барабанов дана в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Характеристика барабанов для автооператорных линий

Расчет колоколов производится следующим образом [9]. Если колокол имеет форму усеченного конуса, его объем равен:

, (2.32)

где - радиус нижнего основания колокола; - радиус верхнего отверстия колокола; - высота колокола.

При расчетах принимают, что и , тогда объем колокола равен:

(2.33)

С другой стороны внутренний объем колокола рассчитывается по формуле, аналогичной 2.28. Коэффициент заполнения колоколов равен 10÷ 20% [9].

(2.34)

Коэффициент заполнения колокола определяется на основе следующих рассуждений. Поскольку колокол не полностью заполнен электролитом, то его объем принимают равным 1, 5÷ 2, 0 от объема, который заполняет электролит вместе с деталями, т. е. . В свою очередь объем электролита вместе с деталями, должен в 3-6 раз превышать объем, занимаемым деталями в насыпном виде: . Учет всех этих коэффициентов позволяет рассчитать коэффициент заполнения колокола равный 10÷ 20 %.

Совместное решение уравнений 2.33 и 2.34 позволяет найти радиус нижнего основания колокола, а затем радиус верхнего основания и высоту колокола. Наружные размеры колокола определяются внутренними размерами и толщиной стенок, равных 10÷ 30 мм.

Внутренние габаритные размеры ванны, в которой обрабатываются детали в барабане, определяются следующим образом:

, мм (2.35)

где l₁ - расстояние между торцевыми стенками ванны и барабана, обычно принимают 100÷ 200 мм; L_б - длина барабана, мм.

Внутренняя ширина ванны при загрузке одного барабана рассчитывается по формуле:

, мм (2.36)

где D_б - наружный диаметр барабана, , мм; В₁ - расстояние между анодом и барабаном, принимается 100÷ 200 мм; В₂ - расстояние между анодом и ближайшей стенкой ванны, обычно берется 50÷ 100 мм; d - толщина анода, обычно равная 5÷ 20 мм.

Внутренняя высота ванны рассчитывается следующим образом:

, мм (2.37)

где H₁ - расстояние от дна ванны до нижнего края барабана, обычно принимается равным 150÷ 300 мм; , мм - расстояние от зеркала электролита до верхней части барабана, обычно равное 100÷ 150 мм; H₃ - расстояние от зеркала электролита до верхнего края бортов ванны, равное 150÷ 300 мм; , мм - внешняя высота барабана [9].

Наружные (габаритные) размеры корпуса гальванических ванн отличаются от внутренних размеров на величину порядка 100÷ 150 мм (удвоенная толщина стенок с учетом ребер жесткости).

2.2.1. Расчет габаритных размеров ванны в гидроэлектрометаллургии

Внутренние размеры электролизных ванн должны обеспечить нормальное размещение и работу электродов. Важно также, чтобы образующийся в процессе растворения анодов шлам мог накапливаться на дне ванны достаточно толстым слоем, не загрязняя электролита и не приводя к замыканию электродов.

Длина и ширина ванны, прежде всего, определяются размерами катодов и анодов, их числом и межэлектродным расстоянием. Глубина ванн, кроме длины электродов, определяется качеством и количеством образующегося шлама и сроками чистки электролизера от шлама.

Внутренняя длина ванны рассчитывается по формуле:

, (2.37)

где n - равно сумме всех электродов в ванне, уменьшенной на единицу и поделенной на два, l - расстояние между осями одноименных электродов,

k₁ и k₂ - расстояние от стенок ванны до крайних электродов принимается в пределах от 100 до 250 мм.

Если в ванне имеется внутренний карман для ввода или вывода электролита k берется около 200 мм. Без внутреннего кармана k = 100÷ 150 мм.

Расстояния между центрами одноименных электродов l зависит от толщины анода и катода, наличия диафрагмы и т.п. При электрорафинировании меди величину l принимают равной 95÷ 110 мм, при электрорафинировании никеля - 150÷ 200, в ваннах электроэкстракции цинка - 70÷ 80 мм.

Ширина ванны определяется по формуле:

, (2.38)

где В_к - ширина катода, В₂ - расстояние между краем катода и боковой стенкой ванны. В зависимости от размеров и технологии загрузки электродов В₂ составляет 50÷ 100 мм.

Глубина ванны H рассчитывается по формуле:

, (2.39)

где Н_к - длина катода, Н₂ - расстояние от верхней кромки катода до верхнего борта ванны, обычно составляет 50 - 150 мм, Н₃ - расстояние от нижней кромки катода до дна ванны. В зависимости от конструкции ванны может изменяться от 150 до 450 мм.