Рассмотрим создание бессточных операций блестящего меднения, матового и блестящего никелирования, а также декоративного хромирования. С этой целью для каждой из указанных операций рассчитаем количество ванн периодически непроточной промывки. Подставляя в формулу 1 исходные и табличные (прил. 1-7) значения, находим продолжительность непроточного периода работы 2-х, 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти, 7-ми и 8-ми ванн промывки. Затем после технологических ванн с горячими растворами (в рассматриваемом примере ванны матового и блестящего никелирования, а также хромирования) выбираем такое количество ванн периодически непроточной промывки, которое обеспечивает расход воды на промывку менее потерь воды при испарении из технологической ванны. После технологических ванн схолодными растворами (в рассматриваемом примере ванна блестящего меднения) выбираем такое количество ванн периодически непроточной промывки, которое около года работает без смены воды.
CuSO4·5H2O |
40-80
|
H2SO4 |
160-220
|
NaCl, мг/л |
60-80
|
Добавка RV-В, мл/л |
3,0-5,5
|
Максимальная концентрация отмываемого компонента (ионов меди) в ванне меднения со = 20 г/л, предельная концентрация ионов меди в последней ступени промывки с= 20 г/л, предельная концентрация ионов меди в последней ступени промывки n = 0,002 г/л, удельный унос электролита поверхностью деталейq=0,2 л/м2. Температура раствора комнатная (20-30 °С), рабочий диапазон катодной плотности тока 1-3 А/дм2.
Подставляя в формулу 1 исходные и табличные (прил. 1-7) значения, находим следующие величины продолжительности непроточного периода работы 2-х, 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти, 7-ми и 8-ми ванн промывки, а также концентрации ионов меди в них (табл. 2).
Из приведённых данных видно, что в рассматриваемых условиях 5 ванн промывки будут работать в односменном режиме без замены воды 2220 ч, 277 смен или более 1 года (13 месяцев). Поэтому установим после ванны меднения 5 ванн промывки, работающих в периодически непроточном режиме, и заполним их дистиллированной водой или конденсатом.
Таблица 2
Количество ванн промывки
|
Конечная концентрация ионов меди в ваннах промывки по окончании непроточного периода, г/л
|
Продолжительность непроточного периода, ч/смен
|
в 1-й,
с1
|
во 2-й,
с2
|
в 3-й,
с3
|
в 4-й,
с4
|
в 5-й,
с5
|
в 6-й,
с6
|
в 7-й,
с7
|
в 8-й,
с8
|
2
|
0,3
|
0,002
|
|
|
|
|
|
|
70 / 8
|
3
|
1,6
|
0,07
|
0,002
|
|
|
|
|
|
429 / 53
|
4
|
4,1
|
0,46
|
0,035
|
0,002
|
|
|
|
|
1157 / 144
|
5
|
7,2
|
1,5
|
0,21
|
0,023
|
0,002
|
|
|
|
2220 / 277
|
6
|
10,2
|
3,2
|
0,7
|
0,12
|
0,017
|
0,002
|
|
|
3566 / 445
|
7
|
12,9
|
5,5
|
1,7
|
0,4
|
0,08
|
0,014
|
0,002
|
|
5149 / 643
|
8
|
15,0
|
8,1
|
3,3
|
1,0
|
0,3
|
0,06
|
0,012
|
0,002
|
6932 / 866
|
По окончании работы в непроточном режиме пяти ванн промывки образуется 1,45·5=7,25 м3 промывной воды с общей концентрацией ионов меди 1,8 г/л, то есть в ~11 раз разбавленный раствор следующего состава (г/л): CuSO4·5H2O 3,6-7,2 г/л, H2SO4 14,4-19,8 г/л, ионы NaCl 5,4-7,2 мг/л, добавка RV-В 0,27-0,50 мл/л.
Полученный разбавленный электролит переливаем в промежуточную ёмкость с ТЭНами и упариванием получаем 363 л концентрата электролита с концентрацией компонентов в 20 раз больше, чем в промывной воде, и в 1,5 раза больше, чем в исходном электролите меднения. При этом 6887 л воды испарилось, на что было затрачено около 5020 кВт·ч электроэнергии.
Освободившиеся ванны промывки заполняем дистиллированной водой или конденсатом.
Проведённые эксперименты показали, что с помощью выпаривания из промывных вод ванн улавливания можно получать вполне работоспособные электролиты. При проведении дистилляции (выпаривания с конденсацией) при нормальном атмосферном давлении необходимо учитывать потери термонестойких компонентов электролитов (солей аммония, некоторых органических веществ и т.д.), которые должны быть компенсированы при корректировке технологических ванн. В тоже время значительная доля потерь термонестойких веществ оказывается в конденсате, тем самым мешая его использованию в качестве промывной воды. Например, конденсат после дистилляции хлористоаммонийных электролитов кадмирования и цинкования вследствие загрязнения соединениями аммония имеет удельную электропроводность в 30-50 раз больше, чем электропроводность дистиллированной воды. В тоже время конденсат после дистилляции разбавленного раствора блестящего сернокислого меднения не загрязнён и обладает электропроводностью, равной электропроводности дистиллированной воды. Снижение потерь компонентов достигается применением вакуумных выпарных установок, которые практически для всех процессов позволяют получать конденсат, годный для использования в промывных ваннах [2].
Вследствие того, что в рассматриваемом случае скорость испарения воды из промывных вод не имеет значения (можно выпаривать раствор в течение нескольких недель или месяцев), снизить потери термонестойких веществ можно за счёт снижения температуры испарения воды. Для этого испаряющуюся воду не доводят до кипения, температуру воды поддерживают ниже температуры разложения термонестойких веществ. Это позволяет выделить из промывной воды концентрат работоспособного электролита.
Операция матового никелирования в электролите следующего состава (г/л):
NiSO4·7H2O |
140-200
|
NiCl2·6H2O |
30-40
|
H3BO3 |
25-40
|
Na2SO4·10H2O |
60-80
|
Максимальная концентрация отмываемого компонента (ионов никеля) со = 50 г/л, предельная концентрация ионов никеля в последней ступени промывки с= 50 г/л, предельная концентрация ионов никеля в последней ступени промывки n = 0,01 г/л, средний удельный унос электролита поверхностью деталей q=0,2 л/м2. Температура раствора 50°С, диапазон катодной плотности тока 0,5-2,0 А/дм2, рН 5,0-5,5.
Определяем скорость испарения воды из технологической ванны.
Примерная скорость испарения воды [1] при 50 °С составляет 2,1 л/ч с 1 м2 зеркала раствора. В рассматриваемом примере площадь зеркала электролита составляет 1,6 м2. Следовательно, из ванны матового никелирования испаряется вода со скоростью 3,36 л/ч.
Подберём количество ванн периодически непроточной промывки для обеспечения бессточной операции матового никелирования.
По величине концентрации Ni2+ в технологической ванне (со = 50 г/л) и предельной концентрации Ni2+ в последней ванне промывки (сn = 0,01 г/л) в приложениях 1-7 находим табличные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 100 ч, трёх ванн – 544 ч, четырёх ванн – 1389 ч, пяти ванн – 2581 ч, шести ванн – 4059 ч, семи ванн – 5773 и восьми ванн – 7685 ч. В соответствии с формулой 1 найденные значения умножаем на и получаем реальные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 85 ч, трёх ванн – 464 ч, четырёх ванн – 1185 ч, пяти ванн – 2202 ч, шести ванн – 3462 ч, семи ванн – 4924 ч и восьми ванн – 6555 ч.
По окончании непроточного режима воду из первой ванны промывки используем для подпитки технологической ванны, а воду из последующих ванн промывки используем для промывки деталей, для чего её переливаем в предыдущие промывные ванны (из второй ванны воду переливаем в первую, из третьей – во вторую, из четвёртой – в третью и т.п.). Поэтому расход воды рассчитываем не делением объёма всех промывных ванн на продолжительность непроточного режима (так получены значения расхода воды на промывку, указанные в приложениях 1-7), а делением объёма только одной промывной ванны: для двух ванн 1450:85=17,06 л/ч, для трёх ванн 1450:464=3,13л/ч, для четырёх ванн 1450:1185=1,22 л/ч, для пяти ванн 1450:2202=0,66 л/ч, шести ванн 1450:3462=0,42 л/ч, семи ванн 1450:4922=0,29 л/ч и восьми ванн 1450:6555=0,22 л/ч.
Полученные значения расхода воды на промывку сравниваем со скоростью испарения воды из ванны никелирования 3,36 л/ч. Минимально необходимым количеством периодически непроточных ванн промывки является 3 ванны, для которых расход воды 3,13 л/ч меньше скорости потерь воды из ванны никелирования 3,36 л/ч.
По приложению 2 находим концентрацию Ni2+ в ваннах промывки: в первой 5,2 г/л, во второй 0,28 г/л, в третьей 0,01 г/л.
При этом реальный расход воды будет больше расчётного, минимально необходимого, чтобы обеспечить компенсацию потерь жидкости из ванны никелирования, то есть необходимо подавать в промывные ванны 3,36 л/ч вместо расчётного расхода воды 3,13 л/ч, что повысит качество промывки.
Максимально необходимая продолжительность непроточного периода составляет 1450:3,13=463 часов, минимально необходимая – 1450:3,36=431 час. При увеличении продолжительности непроточного периода больше максимально необходимой в последней ступени промывки увеличится концентрация отмываемого компонента сверх предельной концентрации и ухудшится качество промывки; при снижении продолжительности непроточного периода меньше минимально необходимой будет образовываться отработанной промывной воды больше, чем испаряется воды из ванны никелирования и появятся сточные воды.
Бессточную операцию матового никелирования деталей в рассматриваемом случае следует осуществлять таким образом: через 463 часа воду из первой промывной ванны сливают в сборник, из второй ванны воду переливают в первую, из третьей – во вторую, в третью ванну наливают дистиллированную воду или конденсат. После этого работа ванн промывки в непроточном режиме повторяется. В последующих циклах (после слива воды из первой ванны в сборник) в первую и вторую ванны заливается уже загрязнённая вода из второй и третьей ванн промывки соответственно, что должно привести к снижению продолжительности непроточного периода. Так, в первую ванну промывки заливается вода с концентрацией Ni2+ 0,28 г/л. Расчёты показывают, что концентрация Ni2+ 0,28 г/л в первой ванне промывки достигается за 16 ч. То есть продолжительность непроточного периода во втором и последующих циклах должна быть на 16 ч меньше расчётного и составлять 463 – 16 = 447 ч. Но это значение всё равно больше минимально необходимой продолжительности 431 ч, то есть заполнение ванн частично загрязнённой водой хоть и уменьшает время, в течение которого ванны промывки могут работать без подачи воды, но превышает минимально необходимую продолжительность периодически непроточного периода. В сборнике промывную воду подкисляют соляной кислотой до рН 5,0-5,5 и используют для корректировки уровня электролита в ванне никелирования.
Возможно использовать схему бессточной промывки без установки сборника: по мере уменьшения уровня электролита в технологической ванне в неё доливают воду из первой ванны промывки, куда столько же воды заливают из второй ванны промывки и т.д. Для рассматриваемого случая необходимо в конце каждой смены примерно 27 л воды (3,36·8=26,9 л) из первой ванны промывки перелить в ванну никелирования, 27 л воды из второй ванны промывки перелить в первую, 27 л воды из третьей ванны промывки перелить во вторую и 27 л дистиллированной воды залить в третью ванну.
Операция блестящего никелирования в электролите следующего состава (г/л):
NiSO4·7H2O |
260-300
|
NiCl2·6H2O |
40-60
|
H3BO3 |
35-40
|
Сахарин |
0,7-1,5
|
1,4-Бутиндиол (100 %) |
0,7
|
Фталимид |
0,09
|
Максимальная концентрация отмываемого компонента (ионов никеля) со = 80 г/л, предельная концентрация ионов никеля в последней ступени промывки с= 80 г/л, предельная концентрация ионов никеля в последней ступени промывки n = 0,01 г/л, средний удельный унос электролита поверхностью деталей q=0,2 л/м2. Температура раствора 60°С, рабочий диапазон катодной плотности тока 4,0-6,0 А/дм2, рН 4,0-4,8.
Определяем скорость испарения воды из технологической ванны.
Примерная скорость испарения воды [1] при 60 °С составляет 3,91 л/ч с 1 м2 зеркала раствора. В рассматриваемом примере площадь зеркала электролита составляет 1,6 м2. Следовательно, из ванны блестящего никелирования испаряется вода со скоростью 6,25 л/ч.
Подберём количество ванн периодически непроточной промывки для обеспечения бессточной операции блестящего никелирования.
По величине концентрации Ni2+ в технологической ванне (со = 80 г/л) и предельной концентрации Ni2+ в последней ванне промывки (сn = 0,01 г/л) в приложениях 1-7 находим табличные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 79 ч, трёх ванн – 463 ч, четырёх ванн – 1227 ч, пяти ванн – 2330 ч, шести ванн – 3717 ч, семи ванн – 5341 ч и восьми ванн – 7164 ч. В соответствии с формулой 1 найденные значения умножаем на и получаем реальные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 67 ч, трёх ванн – 395 ч, четырёх ванн – 1047 ч, пяти ванн – 1987 ч, шести ванн – 3171 ч, семи ванн – 4556 ч и восьми ванн – 6111 ч.
Аналогично операции матового никелирования расход воды на промывку рассчитываем делением объёма одной промывной ванны на рассчитанную продолжительность непроточного режима: для двух ванн 1450:67=21,64 л/ч, для трёх ванн 1450:395=3,67 л/ч, для четырёх ванн 1450:1047=1,38 л/ч, для пяти ванн 1450:1987=0,73 л/ч, шести ванн 1450:3171=0,46 л/ч, семи ванн 1450:4556=0,32 л/ч и восьми ванн 1450:6111=0,24 л/ч.
Полученные значения расхода воды на промывку сравниваем со скоростью испарения воды из ванны никелирования 6,25 л/ч. Минимально необходимым количеством периодически непроточных ванн промывки является 3 ванны, для которых расход воды 3,67 л/ч меньше скорости потерь воды из ванны никелирования 6,25 л/ч.
По приложению 2 находим концентрацию Ni2+ в ваннах промывки: в первой 7,1 г/л, во второй 0,32 г/л, в третьей 0,01 г/л.
При этом реальный расход воды будет больше расчётного, минимально необходимого, чтобы обеспечить компенсацию потерь жидкости из ванны никелирования, то есть необходимо подавать в промывные ванны 6,25 л/ч вместо расчётного расхода воды 3,67 л/ч, что повысит качество промывки.
Максимально необходимая продолжительность непроточного периода составляет 1450:3,67=395 часов, минимально необходимая – 1450:6,25=232 часа. При увеличении продолжительности непроточного периода больше максимально необходимой в последней ступени промывки увеличится концентрация отмываемого компонента сверх предельной концентрации и ухудшится качество промывки; при снижении продолжительности непроточного периода меньше минимально необходимой будет образовываться отработанной промывной воды больше, чем испаряется воды из ванны никелирования и появятся сточные воды.
Бессточную операцию блестящего никелирования деталей в рассматриваемом случае следует осуществлять таким образом: через 395 часов воду из первой промывной ванны сливают в сборник для последующей корректировки уровня электролита в ванне никелирования, из второй ванны воду переливают в первую, из третьей – во вторую, в третью ванну наливают дистиллированную воду или конденсат. После этого работа ванн промывки в непроточном режиме повторяется. В последующих циклах (после слива воды из первой ванны в сборник) в первую и вторую ванны заливается уже загрязнённая вода из второй и третьей ванн промывки соответственно, что должно привести к снижению продолжительности непроточного периода. Так, в первую ванну промывки заливается вода с концентрацией Ni2+ 0,32 г/л. Расчёты показывают, что концентрация Ni2+ 0,32 г/л в первой ванне промывки достигается за 12 ч. То есть продолжительность непроточного периода во втором и последующих циклах должна быть на 12 ч меньше расчётного и составлять 395 – 12 = 383 ч. Но это значение всё равно больше минимально необходимой продолжительности 232 ч, то есть заполнение ванн частично загрязнённой водой хоть и уменьшает время, в течение которого ванны промывки могут работать без подачи воды, но превышает минимально необходимую продолжительность периодически непроточного периода. В сборнике промывную воду подкисляют соляной кислотой до рН 4,0-4,8 и используют для корректировки уровня электролита в ванне никелирования.
Возможно использовать схему бессточной промывки без установки сборника: по мере уменьшения уровня электролита в технологическую ванну доливают воду из первой ванны промывки, куда столько же воды заливают из второй ванны промывки и т.д. Для рассматриваемого случая необходимо в конце каждой смены 50 л воды (6,25·8=50 л) из первой ванны промывки перелить в ванну никелирования, 50 л воды из второй ванны промывки перелить в первую, 50 л воды из третьей ванны промывки перелить во вторую и 50 л дистиллированной воды залить в третью ванну.
Операция декоративного хромирования в электролите следующего состава (г/л):
CrO3 |
125-250
|
H2SO4 |
1,2-2,5
|
Хромоксан |
0,15-0,2
|
Максимальная концентрация отмываемого компонента (ионов хрома) со =130 г/л, предельная концентрация ионов хрома в последней ступени промывки с=130 г/л, предельная концентрация ионов хрома в последней ступени промывки n =0,01 г/л, удельный унос электролита поверхностью деталей q=0,3 л/м2. Температура раствора 60°С, рабочий диапазон катодной плотности тока 45-55 А/дм2.
Определяем скорость испарения воды из технологической ванны.
Примерная скорость испарения воды [1] при 60 °С составляет 3,91 л/ч с 1 м2 зеркала раствора. В рассматриваемом примере площадь зеркала электролита составляет 1,6 м2. Следовательно, из ванны хромирования испаряется вода со скоростью 6,25 л/ч.
Кроме того, из-за обильного выделения водорода на катоде (вследствие низкого выхода хрома по току) в вентиляцию уносится в виде аэрозоля 0,05-0,1 л/ч электролита хромирования. Таким образом, суммарные потери жидкости для рассматриваемого случая хромирования составляет 6,3 л/ч.
Подберём количество ванн периодически непроточной промывки для обеспечения бессточной операции декоративного хромирования.
По величине концентрации Cr6+ в технологической ванне (со = 130 г/л) и предельной концентрации Cr6+ в последней ванне промывки (сn = 0,01 г/л) в приложениях 1-7 находим табличные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 62 ч, трёх ванн – 393 ч, четырёх ванн – 1080 ч, пяти ванн – 2098 ч, шести ванн – 3397 ч, семи ванн – 4933 ч и восьми ванн – 6669 ч. В соответствии с формулой 1 найденные значения умножаем на и получаем реальные значения продолжительности непроточного режима работы двух ванн – 35 ч, трёх ванн – 223 ч, четырёх ванн – 614 ч, пяти ванн – 1193 ч, шести ванн – 1932 ч, семи ванн – 2806 ч и восьми ванн – 3794 ч.
Аналогично операции матового и блестящего никелирования расход воды на промывку рассчитываем делением объёма промывной ванны на рассчитанную продолжительность непроточного режима: для двух ванн 1450:35=41,43 л/ч, для трёх ванн 1450:223=6,50 л/ч, для четырёх ванн 1450:614=2,36 л/ч, для пяти ванн 1450:1193=1,22 л/ч, шести ванн 1450:1932=0,75 л/ч, семи ванн 1450:2806=0,52 л/ч и восьми ванн 1450:3794=0,39 л/ч.
Полученные значения расхода воды на промывку сравниваем со скоростью потери воды из ванны хромирования 6,3 л/ч. Минимально необходимым количеством периодически непроточных ванн промывки является 4 ванны, для которых расход воды 2,36 л/ч меньше скорости потерь воды из ванны хромирования 6,3 л/ч.
По приложению 3 находим концентрацию Cr6+ в ваннах промывки: в первой 25,3 г/л, во второй 2,63 г/л, в третьей 0,186 г/л и в четвёртой 0,01 г/л.
При этом реальный расход воды будет больше расчётного, минимально необходимого, чтобы обеспечить компенсацию потерь жидкости из ванны никелирования, то есть необходимо подавать в промывные ванны 6,3 л/ч вместо расчётного расхода воды 2,36 л/ч.
Максимально необходимая продолжительность непроточного периода составляет 1450:2,36=614 часов, минимально необходимая – 1450:6,3=230 час. При увеличении продолжительности непроточного периода больше максимально необходимой в последней ступени промывки увеличится концентрация отмываемого компонента сверх предельной концентрации и ухудшится качество промывки; при снижении продолжительности непроточного периода меньше минимально необходимой будет образовываться отработанной промывной воды больше, чем испаряется воды из ванны никелирования и появятся сточные воды.
Бессточную операцию хромирования деталей в рассматриваемом случае следует осуществлять таким образом: через 614 часов воду из первой ванны улавливания сливают в сборник для последующей корректировки уровня электролита в ванне хромирования, из второй ванны улавливания воду переливают в первую ванну, из третьей - во вторую, из четвёртой – в третью, в четвёртую ванну наливают дистиллированную воду или конденсат. После этого работа ванн промывки в непроточном режиме повторяется. В последующих циклах (после слива воды из первой ванны в сборник) в первую, вторую и третью ванны заливается уже загрязнённая вода из второй, третьей и четвёртой ванн промывки соответственно, что должно привести к снижению продолжительности непроточного периода. Так, в первую ванну промывки заливается вода с концентрацией Cr6+ 2,63 г/л. Расчёты показывают, что концентрация Cr6+ 2,63 г/л в первой ванне промывки достигается за 58 ч. То есть продолжительность непроточного периода во втором и последующих циклах должна быть на 58 ч меньше расчётного и составлять 614 – 58 = 556 ч. Но это значение всё равно больше минимально необходимой продолжительности 230 ч, то есть заполнение ванн частично загрязнённой водой хоть и уменьшает время, в течение которого ванны промывки могут работать без подачи воды, но превышает минимально необходимую продолжительность периодически непроточного периода.
Возможно использовать схему бессточной промывки без установки сборника: по мере уменьшения уровня электролита в ванну хромирования доливают воду из первой ванны промывки, куда столько же воды заливают из второй ванны промывки и т.д. Для рассматриваемого случая необходимо в конце каждой смены примерно 50 л воды (6,3·8=50,4 л) из первой ванны промывки перелить в ванну хромирования, 50 л воды из второй ванны промывки перелить в первую, 50 л воды из третьей ванны промывки перелить во вторую, 50 л воды из четвёртой ванны промывки перелить в третью и 27 л дистиллированной воды залить в четвёртую ванну.
Таким образом, бессточную технологию электроосаждения многослойного покрытия по схеме "матовое никелирование – блестящее меднение – блестящее никелирование – декоративное хромирование" на линии, основанной на механизированной линии МЛГ-315, организуем следующим образом.
После ванны матового никелирования устанавливаем 3 ванны, после ванны блестящего меднения – 5 ванн, после ванны блестящего никелирования – 3 ванны и после декоративного хромирования – 4 ванны промывки, работающие в периодически непроточном режиме. Схема техпроцесса, осуществляемого на такой линии, представлена на рис. 2.
На этой линии проводим следующие мероприятия:
– на операции матового никелирования в конце каждой рабочей смены 27 л воды из первой ванны промывки переливаем в ванну никелирования, 27 л воды из второй ванны промывки переливаем в первую, 27 л воды из третьей ванны промывки переливаем во вторую и 27 л дистиллированной воды заливаем в третью ванну;
– на операции блестящего никелирования в конце каждой рабочей смены 50 л воды из первой ванны промывки переливаем в ванну никелирования, 50 л воды из второй ванны промывки переливаем в первую, 50 л воды из третьей ванны промывки переливаем во вторую и 50 л дистиллированной воды заливаем в третью ванну;
– на операции декоративного хромирования в конце каждой рабочей смены 50 л воды из первой ванны промывки переливаем в ванну хромирования, 50 л воды из второй ванны промывки переливаем в первую, 50 л воды из третьей ванны промывки переливаем во вторую, 50 л воды из четвёртой ванны промывки переливаем в третью и 27 л дистиллированной воды заливаем в четвёртую ванну;
– на операции блестящего меднения через каждые 11,2 месяца полученную загрязнённую промывную воду переливаем в ёмкость с ТЭНами и упариванием до получения 363 л концентрата электролита, испаряя при этом 6887 л воды и затрачивая около 5020 кВт·ч электроэнергии. Освободившиеся ванны промывки заполняем дистиллированной водой или конденсатом.