Разработка и оптимизация технологических схем

Алексеев А.Н.
15.10.2020 395

Статья является одной из завершающих в цикле работ автора, посвящённых разработке и путям создания действительно современного гальванического оборудования, отвечающего самым высоким экологическим требованиям и обладающего необходимым уровнем эффективности в части используемых в технологическом цикле обработки затрат времени, производственных площадей, энергоресурсов и химикатов, при одновременном расширении функционально-технологических возможностей.

ВВЕДЕНИЕ

Как уже отмечалось[1,2], одними из основных задач при разработке современных технологий и оборудования гальванохимической обработки (ГХО) деталей, как в России, так и за рубежом, являются следующие задачи, направленные на:

  • обеспечение малоэнергоёмкого и эффективного возврата используемых электролитов, растворов и промывной воды в технологический процесс на всех этапах гальванохимической обработки (ГХО) деталей и печатных плат, включая этап транспортировки;
  • снижение затрат используемых энергоресурсов (вода, сжатый воздух, электроэнергия, пар) и химикатов, как на этапе запуска деталей на обработку, так и на этапе обработки деталей и печатных плат, а также на этапе очистки сточных вод, поступающих на централизованные очистные сооружения (ЦОС);
  • сокращение времени обработки деталей в процессных ваннах и в ваннах промывки;
  • расширение функционально-технологических возможностей, в частности, обеспечение возможности временного слива используемых токсичных электролитов/растворов или «консервации» последних на длительный (порядка 2-10 суток) период времени, без слива их на централизованные очистные сооружения (ЦОС) и без использования, либо с минимальным использованием систем вентиляции;
  • повышение качества обработки и/или очистки поверхностей деталей, в частности сложнопрофильных, содержащих глухие, в том числе и резьбовые, отверстия малого (1,5-2мм) диаметра, а также узкие пазы и поднутрения.

Помимо вышеперечисленных, также немаловажными являются и задачи, направленные на обеспечение:

  • минимально необходимого количества промывных ванн после соответствующей операции ГХО;
  • упрощение реализации конструкций ванн и/или их основных элементов;
  • устранения температурного «расслоения» электролитов/растворов и промывной воды в процессных и промывных ваннах;
  • надёжности функционирования систем контроля и оборудования ОМ.

В связи с этим, соответствующим образом должен измениться и сложившийся на практике подход к реализации технологий и оборудования ГХО, по крайней мере, на предприятиях РФ. Очевидно, что в этих условиях уже недостаточно только простого обновления оборудования без учета особенностей конкретного производства, экологических требований соответствующего региона, стоимости производственных площадей, используемых энергоресурсов, химикатов, материалов и других.

При этом, на мой взгляд, необходимо исходить не столько из затрат на приобретение непосредственно оборудования, но в первую очередь из затрат, связанных с эксплуатацией последнего (включающих и затраты на регенерацию электролитов, растворов и очистку сточных вод), а также затрат, связанных с эксплуатацией очистных сооружений, необходимостью захоронения гальваношламов, выплаты штрафов и тому подобных.

В противном случае, любые технологии и оборудование ГХО будут неконкурентоспособными как с технологической, так и с эколого-экономической точек зрения, что подтверждается результатами внедрения гальванического оборудования, в том числе и зарубежного производства, на ряде предприятий РФ.

Учитывая выше изложенное, концепция построения процессов и оборудования ГХО в современных условиях, на мой взгляд, должна быть связана с разработкой максимально замкнутого по объему сточных вод, направляемому на ЦОС, взаимосогласованного комплекса операционных модулей (ОМ) и систем межоперационной очистки соответствующих линий, обеспечивающего наиболее полное использование задействованных в процессе ГХО и/или очистки энергоресурсов, химикатов и материалов, их минимальный расход, требуемое качество очистки деталей различной группы сложности, минимальные затраты производственных площадей и максимально достижимые, при этом, производительность, стабильность и надежность реализуемых процессов ГХО.

А в качестве критерия оптимальности разрабатываемых технико-технологических решений может выступать функция затрат времени, энергоресурсов и химикатов, используемых при реализации операций очистки поверхностей деталей и обработки сточных вод в процессах гальванохимической обработки и обеспечивающих заданное по технологии качество очистки поверхностей деталей различной группы сложности, при минимальных затратах времени и производственных площадей, объеме сточных вод, в условиях ограничений: на количество токсичных испарений, поступающих в атмосферу цеха, концентрацию основного компонента в процессных ваннах и ваннах конечного цикла промывки на технологически заданном уровне, а также на длительность процесса ГХО.

Анализ возможных путей её реализации показал, что наличие только базовой структуры ОМ и систем струйно-динамической промывки[1], а также конкретные примеры реализации последних[2], функционирующих в бессточном режиме, является необходимым, но уже недостаточным для решения поставленных выше задач, учитывая и многономенклатурный и мелкосерийный тип производства, характерный для более 70 % предприятий приборо- и машиностроения РФ. Таким образом, значительный интерес, как для разработчиков оборудования ГХО деталей, так и для предприятий, предполагающих его использование, могут представлять разработанные автором:

  • оптимизированные структуры ОМ основных операций ГХО: обезжиривания, травления и покрытия, реализуемых в составе линии выполненной, в соответствие с[3], в двухуровневой компоновке, при различном положении штанги с деталями в ванне (параллельно или перпендикулярно направлению её перемещения по линии);
  • новые конструкции и оснащение ванн и/или их основных элементов;
  • новые конструкции устройств для перемешивания электролитов/растворов и промывной воды в процессных и промывных ваннах.

Новизна предложенных решений заключается в разработке и оптимизации комплексного конструкторско-технологического обеспечения основных операций и оборудования выполненной в двухуровневой компоновке линии ГХО, использующей струйно-динамическую противоточную промывку деталей, реализуемую в процессах межоперационной очистки, и системы малоэнергоёмкой рекуперации промывной воды и ценных химических компонентов в технологических процессах в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПЕРАЦИЙ ГХО ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЦИКЛА

Операции обезжиривания и травления являются неотъемлемой частью практически всех процессов ГХО. При этом, в условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства детали с различной степенью загрязнённости их поверхности могут поступать на обработку в различные моменты времени, по различным программам и в различном количестве.

Приведённые выше обстоятельства послужили основой для разработки оптимизированных структур ОМ универсального вида. На рисунке 1 представлена оптимизированная технологическая схема, выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного обезжиривания деталей, размещаемых на подвесках, с централизованной системой подготовки и раздачи дистиллированной воды.

Рисунок 1. Технологическая схема выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного обезжиривания деталей, размещаемых на подвесках.

Пр. В. – процессная ванна обезжиривания; ВСДПг – ванна струйно-динамической горячей промывки; ВППг – ванна горячей промывки погружением; ВППх – ванна холодной промывки погружением; ТШК1, 2, 3 — трёхходовой шаровой кран; ОК — обратный клапан; РК с ЭФС – распределительные коллекторы с элементами формирования струй; БСЗПВх – бак для слива загрязненной холодной промывной воды; СЧПВх — сборник чистой холодной промывной воды; БСЗПВг – бак для слива загрязненной горячей промывной воды; СЗПВ1, 2 – сборник загрязнённой промывной воды; СУРЭ – сборник-улавливатель разбавленного электролита; СКРЭ – сборник-концентратор разбавленного электролита; ДУ — датчик уровня; ФУ1,2 – фильтровальная установка; ЭК1, 2, 3 — электромагнитный клапан; НЭ1, НЭ2 – нагревательные элементы; СФ — сетчатый фильтр; Н1- Н6 — электронасосные агрегаты.

Основными отличительными особенностями технологической структуры ОМ на рисунке 1, в дополнение к указанным в[1], являются следующие:

  1. В зависимости от степени загрязнённости поверхностей, поступающих на обработку деталей, последовательность технологических операций и соответствующее количество ванн может быть равно либо 4 (Пр. В. — ВСД-Пг — ВППг — ВППх), в случае сильно загрязнённых деталей, либо 3 (Пр. В. — ВППг — ВППх), для относительно мало загрязнённых деталей. В последнем случае, выход электронасосного агрегата Н4 соединяют (на рисунке 1 показано пунктиром) через ОК с РК с ЭФС, расположенными в Пр. В.
  2. Концентрирование разбавленного раствора обезжиривания в СКРЭ и обеспечение необходимого температурного режима воды в БСЗПВг или температуры воды в СЗПВ 2, производится, в соответствии с [4] самим раствором обезжиривания, путём его прокачки (по сигналу от ДУ) насосом ФУ1 через открытый в направлении 1-3 ТШК1, в расположенный в СКРЭ змеевик, выход которого соединён с Пр. В. обезжиривания, и загрязнённой основным отмываемым компонентом Пр. В. водой ВППг, используемой либо для её прокачки (например, также по сигналу от ДУ в БСЗПВг) насосом Н5, через открытый в направлении 1-3 ТШК1, в расположенный в БСЗПВг змеевик, выход которого соединён с ВППг, либо для поддержания температуры и уровня воды в СЗПВ 2.
  3. После окончания обработки последней партии деталей в Пр. В. производят открывание (в данном случае, автоматически) ЭК1, ЭК3 и включение электронасосного агрегата Н6, обеспечивая, тем самым, подачу чистой (в данном варианте, дистиллированной воды или конденсата) в ЭФС РК, расположенных в Пр. В., ВСДПг и ВППг для очистки внутренней поверхности ЭФС от ООК, находящегося в составе загрязнений в воде СЗПВ 1, 2 и/или БСЗПВг , БСЗПВх.

Кроме того, в Пр. В., в частности, при параллельном направлении перемещения штанги с деталями по линии, размещаются, в соответствии с [5], коллекторы с отверстиями, используемыми для реализации «передувки» в бортовой отсос последней и сдува водяными струями, находящихся на поверхности зеркала Пр. В. загрязнений (в виде пены и находящихся в ней механических частиц) в переливной карман Пр. В. (рисунок 2).

Рисунок 2. РК с ЭФС, соединённые, в соответствие с [5] c коллекторами используемыми для реализации «передувки» в бортовой отсос последней и для сдува водяными струями находящихся на поверхности зеркала Пр. В. загрязнений.

При этом, в соответствие с [6], корпусы ванн объёмной обработки выполняют со сливными козырьками, а их переливные карманы выполняют навесными (рисунок 3), оснащёнными сливными патрубками и, в случае Пр. В. обезжиривания – коллектором для деструктуризации пены. Следующими операциями процесса ГХО подготовительного цикла являются операции травления и/или активации поверхностей деталей.

Рисунок 3. Корпус ванны объёмной обработки с разъёмно сочленённым с ним переливным карманом, выполненным из PVC (в данном случае).

На рисунке 4 представлена оптимизированная технологическая схема выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного травления и активации деталей, размещаемых на подвесках, с централизованной системой подготовки и раздачи дистиллированной воды.

Рисунок 4. Технологическая схема выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного травления деталей, размещаемых на подвесках.

Пр. В.— процессная ванна травления (ТРЛ) и активации (АКТ); ВСДП — ванна струйно-динамической промывки; ВППХ — ванна холодной промывки погружением; СЧПВХ — сборник чистой холодной промывной воды; БСЗПВХ — бак для слива загрязненной холодной промывной воды; СМЗПВ — сборник мало загрязнённой промывной воды; СБЗПВ — сборник более загрязнённой промывной воды; ПУУ — поплавковый указатель уровня; УИНС — устройство для изменения направления стока; БСЗРАКТ — бак для слива загрязнённого раствора активации; БСЗРТРЛ — бак для слива загрязнённого раствора травления; Н1-Н5 — электронасосные агрегаты; ОК — обратный клапан; ЭК — электромагнитный клапан; СФ — сетчатый фильтр.

Основными отличительными особенностями данного варианта технологической структуры ОМ на рисунке 4 являются следующие:

  1. Операции струйно-динамической промывки деталей осуществляются в одной ванне, оснащённой устройством для изменения её стока на 2 направления, реализуемым в соответствие с [7], одно из которых соединено со сборником относительно мало загрязнённой ООК промывной воды, а другое — со сборником более загрязнённой ООК промывной воды (СБЗПВ), выход которого соединён со входом электронасосного агрегата Н4, осуществляющего подачу более загрязнённой ООК промывной воды в коллектор с отверстиями, установленный в переливном кармане Пр. В. обезжиривания (рисунок 1), используемый для деструктуризации поступающей в переливной карман данной Пр. В. пены.
  2. Наличие каплеулавливателей кислоты, располагаемых между ваннами травления и активации, а также между ванной активации и ВСДП, соединёнными, соответственно, с БСЗРтрл и БСЗРакт, оснащёнными электронасосными агрегатами, соответственно, Н1 и Н2.
  3. Оснащение СБЗПВ, СМЗПВ и БСЗПВХ поплавковыми указателями уровня, снабжёнными устройствами для защиты от запуска электронасосных агрегатов, соответственно, Н3 — Н5, на холостом ходу.

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПЕРАЦИЙ ГХО

Операции покрытия поверхностей деталей, как правило, являются завершающими в процессах ГХО, реализуемые в Пр. В., в том числе и с токсичными электролитами (хромирования, никелирования, цинкования, кадмирования). В этой связи, весьма важными являются вопросы, связанные с:

  • обеспечением возможности временного слива используемых токсичных электролитов/растворов или «консервации» последних на длительный (порядка 2-10 суток) период времени, без слива их на централизованные очистные сооружения (ЦОС) и без использования, либо с минимальным использованием систем вентиляции;
  • сокращением времени обработки деталей в процессных ваннах и в ваннах промывки, при одновременном сокращении количества последних;
  • повышением качества обработки и/или очистки поверхностей деталей, в частности, путём устранения температурного «расслоения» электролитов/растворов и промывной воды в процессных и промывных ваннах.

На рисунке 5 представлена оптимизированная технологическая схема, выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного покрытия деталей, размещаемых на подвесках, в Пр. В. с нагревом её электролита и централизованной системой подготовки и раздачи дистиллированной воды.

Рисунок 5. Технологическая схема выполненного в двухуровневой компоновке ОМ бессточного покрытия (хромирование, никелирование и другие) деталей, размещаемых на подвесках.

Пр. В. — процессная ванна (хромирование, никелирование, фосфатирование и другие); ВСДП — ванна струйно-динамической промывки; ВПП — ванна промывки погружением; СЧПВ — сборник чистой промывной воды; БСЗПВ — бак для слива загрязнённой промывной воды; СМЗПВ — сборник мало загрязнённой промывной воды; СБЗПВ — сборник более загрязнённой промывной воды; СКРЭ – сборник-концентратор разбавленного электролита; БСЭ — бак для слива электролита; НЭ1, НЭ2 — нагревательные элементы; Н1- Н5 — электронасосные агрегаты; СФ — сетчатый фильтр; ПН — погружной насос; ОК — обратный клапан; РК с ЭФС — распределительные коллекторы с элементами формирования струй; ТЭК — трёхходовой электромагнитный клапан; УИНС 1, 2 — устройство для изменения направления стока.

Основными отличительными особенностями данного варианта технологической структуры ОМ на рисунке 5 являются следующие:

  1. Оснащение Пр. В. погружным насосом (ПН) и/или вентилем для слива после окончания обработки последней партии деталей, используемого токсичного электролита Пр. В. Для «консервации» последнего на длительный (порядка 2-10 суток) период времени или для удаления упавших на дно Пр. В. деталей, через устройство для изменения её стока на 2 направления, один из выходов которого соединён с БСЭ, а другой — с СКРЭ, реализуемых в схеме ОМ. При этом, в соответствие с [7], после окончания слива электролита из Пр. В., последовательно осуществляют:
  • перевод из правого положения в левое двухстороннего лотка в УИНС, обеспечивая, тем самым, направление разбавленного электролита Пр.В. в СКРЭ;
  • автоматическую или вручную промывку (в течение 5-10 сек.) внутренней поверхности Пр. В., используя, соответственно, либо имеющиеся РК с ЭФС, либо ЭФСП протяжённой формы [2], подключаемый на время промывки к выходу Н5.
  1. Оснащение, в соответствие с [8], Пр. В. разъёмно устанавливаемым в ней устройством перемешивания электролита, либо сжатым воздухом, либо самой обрабатывающей средой Пр. В., что позволяет сократить время и повысить качество обработки деталей, в частности, путём устранения температурного «расслоения» электролита Пр. В.
  2. Оснащение Пр. В. датчиком уровня новой конструкции [9], в частности, исключающей возможность ложных срабатываний датчика уровня из-за попадания на поверхность его металлических электродов волн и/или брызг, образующихся при волнении поверхности зеркала электролита, обусловленным подачей разбавленного электролита в Пр. В. от СКРЭ, включением барботажа или фильтровальной установки.

При этом, имея только 2 ванны промывки, в схеме представленного ОМ могут быть реализованы 4 операции промывки, по крайней мере 3 из которых (для Пр. В., использующей нагрев) выполняются струйно-динамическим методом, в процессе перемещения подвески с деталями относительно ЭФС, что также позволяет существенно сократить время промывки (до 3-4 раз) по сравнению с её временем при использовании трёх ванн погружной промвыки, в соответствие с [10].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные оптимизированные структуры операционных модулей (ОМ) основных операций ГХО, реализуемых в составе выполненной в двухуровневой компоновке линии, новые конструкции и оснащение ванн и их основных элементов, устройств для перемешивания электролитов/растворов и промывной воды в процессных и промывных ваннах, наряду с изложенными в [1, 2], а также имеющиеся у автора “know-how” и новые технико-технологические решения, позволяют, уже в настоящее время, создавать на их основе оборудование бессточной ГХО, превышающее уровень всех известных, по данным открытых источников, решений ведущих зарубежных фирм в этой области, отказаться уже в ближайшее время от приобретения устаревших технологий и оборудования ГХО и повысить эколого-экономическую эффективность реализации последних.

Кроме того, выполненные в двухуровневой компоновке операционные модули (ОМ) основных операций ГХО обеспечивают не только отсутствие необходимости использования вытяжной вентиляции в нерабочее время и в праздничные или выходные дни, но также обеспечивают возможность пооперационного удаления и локализации токсичных испарений непосредственно в процессе ГХО в структуре самих ОМ соответствующего вида обработки.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ГХО – гальванохимическая обработка;

ЦОС – централизованные очистные сооружения;

ОМ — операционный модуль;

ООК — основной отмываемый компонент;

ЭФСП – элемент формирования струйных потоков.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Алексеев А. Н. Бессточная гальванохимическая обработка деталей с минимальными затратами времени,  площадей, энергоресурсов и химикатов // Журнал «Мир гальваники», № 1, 2017, стр. 18-25.
  2. Алексеев А. Н. Разработка современного оборудования для промывки деталей из алюминия и его сплавов при анодном оксидировании // Журнал «Мир гальваники», № 2, 2017, стр. 34-39.
  3. Алексеев А. Н. Способ изготовления двухуровневой гальванической линии // Пат. 2635049 (РФ), Б. И. 2017, № 28.
  4. Алексеев А. Н. Способ концентрирования разбавленного электролита выполненной с нагревом процессной ванны реализованного в двухуровневой компоновке операционного модуля бессточной гальванохимической обработки. // Пат. 2648904 (РФ), Б.И. 2018, № 10.
  5. Алексеев А. Н. Способ установки  коллекторов с элементами формирования струйных потоков обрабатывающей среды в гальванических ваннах объёмной, выполняемой с нагревом, обработки // Пат. 2605882 (РФ), Б. И. 2016, № 36.
  6. Алексеев А. Н. Гальваническая ванна со сливным карманом // Пат. 2607057 (РФ), Б. И. 2017, № 1.
  7. Алексеев А. Н. Устройство для изменения на два направления сливаемого из ванны потока обрабатывающей среды // Пат.2643095 (РФ), Б.И. 2018, №4.
  8. Алексеев А. Н. Способ перемешивания обрабатывающей среды в гальванической ванне для обработки деталей // Пат.2643535 (РФ), Б.И. 2018, № 4.
  9. Алексеев А. Н. Способ реализации датчика уровня // Пат. 2619314 (РФ), Б.И. 2017, № 14.
  10. ГОСТ 9. 314-90. Вода для гальванического производства и схемы промывок. Общие требования.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Алексеев Андрей Николаевич – д. т. н., индивидуальный предприниматель, лучший изобретатель отрасли.

Тел.: +7 962 398 — 57 — 80;

galvotech@mail.ru.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Электрохимическая модификация поверхности в медицине
Электрохимическая модификация поверхности в медицине
В работе рассмотрены электрохимичсекие методы модификации поверхности материалов, изделий, инструментов и устройств, применяемых в медицине…
Гольдин М.М., Евсеев А.К., Шапиро А.И., Иванова К.В., Одинокова И.В., Смирнов К.Н.
21.01.2020
882
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Измерение толщины покрытия – это приоритетная задача
Если толщина покрытия больше заданной, это влияет на внешний вид и долговечность покрытия.
Джозеф Субда
16.11.2020
384
Образование пассивирующих слоев на основе трехвалентного хрома
Образование пассивирующих слоев на основе трехвалентного хрома
Доказано, что данный процесс является безопасной заменой шестивалентного хрома, однако необходимы базовые знания о составе.
Дженифер Хонсельманн, Эрик Манкел и Питер Волк
21.09.2020
491
Декоративные особенности текстурированных металлолаковых покрытий
Декоративные особенности текстурированных металлолаковых покрытий
Рассмотрены декоративные особенности поверхности различных металлов после текстурирования и электрохимического тонирования.
Т.В. Ершова, Т.Ф. Юдина, Т. В. Щапова, М.С. Чайка, Ивановский ГХТУ
12.07.2018
690
Хромирование и напыление покрытий из паровой фазы с использованием алюминиевой мишени на полимерные подложки
Хромирование и напыление покрытий из паровой фазы с использованием алюминиевой мишени на полимерные подложки
Декоративные электроосажденные хромовые покрытия на пластиковых подложках производятся десятилетиями. По экологическим соображениям произошел переход с…
Эмад Бехдад, Мохаммад Джанатян, Джавад Сахебан, Мохсен Дарзи
07.06.2021
426
Формирование композитного слоя на базе износостойкого хромалмазного покрытия и антифрикционной оксидной пленки.
Формирование композитного слоя на базе износостойкого хромалмазного покрытия и антифрикционной оксидной пленки.
Рассмотрены технологические факторы получения покрытий хром-наноалмаз. Разработан технологический процесс нанесения антифрикционной пленки на электролитические хромовые…
Штемплюк Р.Г.
26.10.2020
491
Защитная отделка поверхности после нанесения цинковых и цинк-никелевых покрытий
Защитная отделка поверхности после нанесения цинковых и цинк-никелевых покрытий
Взгляд изнутри на дополнительную отделку после нанесения цинковых и цинк-никелевых покрытий.
Дуг Трагесер
15.12.2021
401
Электрохимические приборы и устройства для анализа состава гальванических ванн и контроля качества покрытий
Электрохимические приборы и устройства для анализа состава гальванических ванн и контроля качества покрытий
Учитывая серьезность опасности, которой гальванические производства угрожают окружающей среде, отрасли необходимы эффективные анализаторы, позволяющие быстро…
В.В. Кондратьев, д.х.н.
17.07.2018
3275
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Загрязнения в ванне блестящего никелирования
Предположим, вы обрабатываете детали в ванне блестящего никелирования Уоттса для автомобильной промышленности, но она, по-видимому,…
Адам Г. Блейкли
07.02.2022
118