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活塞环镀铬生产中的节电降耗
㈠ 前言
    电耗费用是镀铬生产中的主要成本,如何节电降耗已成为活塞环镀铬厂家的当务之急,也是衡量活塞环技术的重要指标。然而目前大多数厂家特别是一些小型企业对活塞环镀铬的节电降耗没有引起足够的重视。有些厂家虽然看到它的重要性和急迫性,但在具体制定措施时仅仅停留在表面上,没有深挖潜力。造成这一原因的关键在于有关人员对镀铬的电耗没有一个深刻的认识。因此我们有必要从各个方面对活塞环镀铬电耗产生的原因、影响活塞环镀铬电耗的因素以及节电降耗的方法、措施等进行详细的分析探讨,以做到最大限度地降低电能的损耗
㈡ 镀铬电耗的组成
    在电镀工业中,电耗主要来自下列三部分
    1、电镀过程中,电路上消耗的电能,其值可用Q=3 U线I线cosφ表示。分为直流电源的内电耗和镀槽的外电耗,它们是电镀所发生的主要电耗;
    2、环境温度较低时维持镀液工艺温度或升至工艺温时所发生的电耗;
    3、其它辅助或公共设施所发生的电耗,如抽风系统、旋转传动系统、烘箱、喷砂机等设备所发生的电耗,其占总电耗的比例较小。
    ●直流电源的内电耗
      目前,直流电源普遍采用整流器,其内电耗主要有:
    a)主变压器损耗:主变压器是整流设备的核心,也是影响整流效率的一个重要因素.衡量变压器损耗的一个重要参数是变压器的效率σ
      σ=β.S.cosφ0 / [β.S.cosφ0+(P0+β2.Pke)]×100%
      ——P0为空载损耗即铁损,它是由铁芯内涡流和磁滞所引起,其主要取决于选用的铁芯材料的最大磁感应强度和体积。
      ——Pke为短路损耗(即额定负载下的铜损),其取决于绕组的截面和匝数。
      ——β为负载系数,是次级电流与次级额定电流之比,当β=(P0/Pke)1/2时,变压器效率最高,设计时有必要考虑生产中负载的大小
      ——S为变压器的平均额定容量S=(S+S)/2。一般来说,在负载系数不变的情况下,S越大,变压器的效率越高
      ——cosφ为平均功率因素。cosφ是影响变压器效率的一个重要因素.由于镀铬整流器功率大,要求纹波因素小,一般采用六相整流。桥式整流器的主变压器次级利用率高,故cosφ也高;双反星带平衡电抗器整流器的主变压器次级利用率较低,故cosφ也就较低。如果采用晶闸管(可控硅)调压,当晶闸管部分导通时,功率因素受到很大影响,特别是当要求纹波因素很小而采用电感滤波时,功率因素变得更低.
      对于三相桥式电感滤波整流器,其cosφ=0.955cos(α+γ/2),α为控制角,γ为变压器漏抗引起的换相重叠角。对于活塞环镀铬工艺,由于大多数要采用冲击电流,因此正镀时晶闸管处于部分导通,特别是当环筒直径变化很大而小缸径环所占比例较大时,如果在相同生产线上镀铬,则镀小缸径环时,功率因素很低,并且对电网波形影响很大,因此不宜采用晶闸管整流设备。如果所镀活塞环的缸径的大小比较固定,再通过其它方式(如次级绕组抽头或星形三角形换接)来达到冲击电压(如次级绕组抽头或星形三角形转接),则采用晶闸管整流设备可以获得较高的效率。
    b)调压系统的损耗
      在整流设备中,调压方式主要分为:
      自耦接触调压器:其效率较高,但容量较小,体积较大.
      感应调压器:其效率较高,但占地大.
      饱和电抗器:其体积小,过载能力好,但效率低,功率因素低,而且由于其起始电压较高,不适合镀铬补镀
      晶闸管调压器:分为初级晶闸管调压和次级晶闸管调压.
      前三者的电耗主要是线圈的铜损和铁芯的铁损.
      第四种调压主要是晶闸管的管耗
    c)电抗器损耗:电抗器除了上面所讲到的用来原边调压的饱和电抗器外.还有用作滤波的平波电抗器和均流用的平衡电抗器,其损耗主要也是铜耗和铁损
    d)硅元件损耗及其它附属损耗,硅元件损耗P=nUrId
      ——n为电流每道通道所串联的元件数:在桥式整流中n=2,在双反星带平衡电抗器整流中n=1,所以对于大电流的镀铬来说一般不采用桥式整流.
      ——Ur为元件的正向峰值电压.二极管比晶闸管的Ur值要小,因经初级晶闸管调压的整流器的效率高于次级晶闸管调压的整流器,同一规格的硅元件的Ur值相差也较大,因此在选购时,要尽量选用较小Ur的硅元件.
    :目前,高频开关电源开始在镀铬技术中使用,其节电效果好,纹波系数小,但是大功率高频开关电源在正反向切换方面有一定难度。
    ●镀槽外电耗(包括镀槽内和镀槽外线路电耗)
      W=IUt 其中
      I=k.Id≈Id≈Dk.Sk=2πDk.rk
      t=60×7.1×δ/(0.324×100×ξk.Dk)=k.δ/Dkk
      U=U0+Id.R+Id.R0=Ed+ηa-ηk+Id.R+Id.R0
      R=ρ.ln(ra/rk)/(2πL) (对于圆形阳极且阳极与工件有效长度相等)
  ∴ W/Sk=k.Dk.δ.rk [ρ.ln(ra/rk)+2πL.R0]/ξk +R.U0.δ/ξk
      k1——整流器的波纹系数,对于镀铬整流器k≈1   I——输出有效电流(A)
      Id——输出平均电流(A)  h——受镀时间(min) Sk——阴极工件受镀面积(dm2)
      ξk——阴极电流效率  R——溶液电阻(Ω) R0——线路电阻(Ω)
      Dk——阴极电流密度(A/dm2)  ρ——溶液电阻率(Ω.dm)
      k=60×7.1/324  L——阴极工件有效长度(dm)
      rk——阴极半径(dm)  ra——阳极半径(dm)
      U——槽电压(V)  Ed——理论分解电压(V)
      ηa——阳极过电位(V)  ηk——阴极过电位(V)
      ln——自然对数  W/Sk——工件单位面积电耗
        从式中可以看出, W/Sk与下列因素有关:
      ⒈U0=Ed+ηa-ηk,由于镀铬中发生下列反应:
      A(阳极):2Cr3++7H2O-6e→Cr2O72-+14H+ ……①
                H2O-4e→O2↑+4H+            ……②
      K(阴极):Cr2O72-+14H++6e→Cr3++7H2O  ……③
                2H+十2e→H2↑                 ……④
                CrO42-+8H+-6e→Cr+4H20      ……⑤
    所以ηa与反应①、②相关,ηa与反应③④⑤相关,且ηk对铬层质量(结晶大小)很重要。ηa、ηk受多方面因素影响,是由多种极化组成。一般Da、Dk增大,ηa、ηk相应增大。由于上述反应中有H2和O2的析出,如果Ed用H2和O2的理论分解电压来表示,那么ηa、ηk分别代表析氧过电位和析氢过电位。对于阳极,由于镀铬采用不溶性材料,而且要求采用氧过电位较高的金属,以防止阳极上有害金属杂质溶入镀液,特别是有利于Cr3+的氧化,因此镀铬阳极一般采用表面易形成析氧过电位较高的β—PbO2的pb—Sn—Sb合金.在其表面开始析氧的过电位约1.1V。如果采用析氧过电位较低的金属.必然要增大阳极面积来保证Cr3+的氧化效率,这样会增加槽液欧姆压降,并会增大槽体尺寸。对于阴极,在铁基体上开始析氢的过电位约为-0.7v,为了提高镀铬效率,ηk越大越好,目前,世界各地正在开发应用一些增大ηk值的添加剂。
    由此可见,刚开始析氢和析氧时,U0=Ed + ηk - ηa ≈1.2+1.1+0.7=3V,随着电流的变化,U0约在3~3.5V之间变化,一般说来,U0值变化不很大,它是镀铬中必然存在的压降,因为电镀不象电解,一定的过电位一方面是为了保证镀层的质量,另一方面是为了保证溶液的稳定
⒉ 随着Dk的增加,W/Sk似乎也增加,但由于ηk随Dk的增加而增加,因此W/Sk的变化不大,只是Dk的增加可缩短电镀时间,提高生产效率,但是Dk增加太多,会造成镀层粗糙。
⒊ 在ra条件不变的情况下,d(W/Sk)/d(rk)=R.Dk.δ.[ρ.Ln (ra/rk)-1]+2πL.R0]/ξk
由于正常情况下R0较小,故 d(W/Sk)/d(rk)=R.Dk.δ.ρ.[Ln(ra/rk)-1]/ξk
由此可见:ra/rk<e时,单位面积的电耗随rk的增大而减小;
          ra/rk>e时,单位面积的电耗随rk的增大而增大;
  : d(W/Sk)/d(rk)为W/Sk 对rk的导数,表示工件单位面积电耗量W/Sk随阴极半径rk的变化情况
⒋ 阳极半径ra越大,能耗也增大,镀液温升加快,但半径太小,易造成气泡效应,使电极过电位和溶液 欧姆降增加,而且阳极电流密度Da也增大了,致使Cr3+→Cr2O72-的效率降低,造成Cr3+的上升。因此如何选择合理的ra值,需根据所采用的工艺成分、操作规范以及阳极形状和材料而定
⒌ 电流效率的提高可以明显降低电耗,但通过增大Dk或降低CrO3浓度来提高电流效率有时达不到节能效果,因为CrO3浓度降低时,虽然电流效率提高了但镀液的电阻率也提高了;
⒍ 工件长度L的增加也会造成W/Sk的增加,因此工件不宜过长
⒎ 溶液电阻率ρ对W/Sk有较大的影响,ρ是溶液中所有有效离子移动速度之和的倒数。对于强酸性的镀铬液来说,ρ主要取决于溶液中H+的活度。一般情况下CrO3浓度越高ρ越小。当CrO3>450g/l,由于溶液粘度增加,反而随CrO3的浓度增加而减小。另外溶液中的杂质含量也严重影响CrO3的有效浓度和溶液的酸度,杂质含量越多,ρ越大。ρ还与溶液的温度以及溶液中气泡的多少等因素有关。在活塞环镀铬工艺中,为了保证一定的电流效率和对Cr3+等金属杂质的容忍量,一般取CrO3160~180g/l。另外为了防止杂质的上升,前处理时尽量不要刻蚀,并防止电镀过程中内圆发生锈蚀
⒏ R0对能耗的影响是相当严重的,并且还会造成线路发热、设备故障以及镀层的恶化。为此在操作过程中,加强导电线路上接触面的清洁处理很有必要。设计时缩短电源与镀槽的距离、增大母线截面,减少接触点,保证接触牢固、涂覆导电膏
⒐ 减少阴极上不必要的受镀面积也可以大大降低电耗。
⒑ 铬层厚度δ是电耗中最有潜力挖掘的:δ=δ0+δ'
    δ0为成品尺寸,δ'为镀后待加工的平均厚度。δ'与机加工的路线、方法、铬层的均匀性、镀层的粗糙程度等有密切关系.
    首先不同的机加工路线要求的加余量不同,如果采用外圆磨,由于磨床、工装等多方面带来的误差以及定位方法的不同,加工余量较大;而珩磨则通过活塞环外圆本身定位,由此其加工量便小得多。
    另外铬层的均匀性与铬层的粗糙度对加工量的影响也较大,特别是不平滑的不均匀层,对珩磨加工也有很大的影响,为此提高铬层的均匀性和降低镀层的粗糙度是很重要的,具体方法有:
    1)加强导电线路上所有接触部位的导电性.特别是工件和阳极的导电性能。如:加强操作过程中装夹和上挂的清洁工作,定期刷洗阳极,并保证阳极接触部位的导电性。
    2)保证阴阳极的同轴度.阳极在槽内的圆度和垂直度很重要。—方面要经常矫正阳极,另一方面要选用有一定抗弯强度的阳极材料,第三在浇铸阳极时防止阳极产生大的应力,另外可将阳极制作成阳极筒。阴极工件必须与阳极同轴,不能放歪或放斜.
    3)消除边缘效应和尖端效应.一方面要想方设法消除工件两端电力线密集的现象.采用非金属遮挡电力线似乎比采用金属辅助阴极分散电力线来得合算.但前者比较麻烦。另外阳极要比工件短:另一方面要加强活塞环片与片之间的导电性,这样既可以防止内圆发生腐蚀,又可消除边缘效应,第三是装环间隙要控制,对于大间隙必须用金属材料封口.
    4)采用单工位供电,即—台整流器供一个工位,但这样必然会加长工件的长度,增加线路损耗.
    5)采用旋转阴极方法,这样可以消除因阳极所造成的影响因素,但它对于工件本身的原因所引起的不均匀没有作用,而且它只能消除圆度方向的厚度差.活塞环旋转镀铬必须有严格的管理与之配合,否则发热严重,目前国内的旋转装置并未完全过关.大多发热严重。
    6)提高镀液的分散能力。在电镀中,镀铬的分散能力是最差的,这与其镀液性能有很大的关系.如果能从根本上解决镀液的分散能力,则可大大改善铬层的均匀性.
    7)提高镀前活塞环产品的圆度,改善压力曲线的分布.
    8)提高镀层的光洁度.一方面要降低基体的粗糙度.另一方面要严格执行镀铬工艺、防止大电流等违反工艺的现象
    总之镀层的均匀性是镀铬中至关重要的,要做到真正提高铬层的均匀性,必须使工件之间的铬层均匀、环之间的铬层均匀、环圆周方向的铬层均匀以及环高度方向的铬层均匀.
●维持镀液温度的电耗
    在镀铬中保证恒定的温度对铬层的宏观和微观质量很重要,在大多数自动控制中,温升采用电加热,温降采用循环水冷却,那么其电耗主要就来自电加热管和循环水的电机、水泵.
    在电镀中,电源供给镀槽的电能一部分转化为化学能,一部分转变为热能,只有保证这部分热量与镀槽的散热量以及风机带走的热量相当,才是最节能的,因此我们在设计时,按—年的平均气温以及所采用的工艺、阴阳极距离等参数,确定镀槽的大小和形状,,则可大大节约电能.
●其它铺助公共设施所发生的电耗
    虽然这部分电耗所占比例较小,但也不能轻视,如排风系统中风机的电耗。有些工厂对排风系统的设计缺乏科学的依据,造成风量的浪费。作为活塞环镀铬,由于工件比较简单,在不影响操作的情况下,应采用部分封闭或全封闭等方法,尽量减少排风量,这样还可以大大减少铬酐的排出量
㈢ 总结
    总之,活塞环镀铬的节电降耗是一项系统工程,它既与企业的管理、规划有关,又与生产线的设计、制作、安装、工艺工装挂具的合理设计以及操作人员执行工艺纪律的情况有关,要做到全面节能,只有全员行动,加强节能意识,作为一名电镀工作者.更应该了解产生电耗的原因,了解哪部分能耗是必不可少的,哪一部分是可节约的,从面制定相应的节电措施,在最低电耗下生产出合格的产品.
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