Как фильтрация и регенерация сказываются на уровне расходов?

Ч. Шультц, «Serfilco», США (Мир гальваники 2009)
Нестабильная экономическая ситуация и жесткие экологические требования заставляют гальванические производства тщательно следить за расходом химикатов

В последнее время фильтрация электролитов анодирования становится все более распространенной среди металлообрабатывающих предприятий.

Десятки тысяч рабочих ванн, в которых выполняются различные виды анодирования, оснащены фильтрами, работающими в непрерывном режиме, и с каждым днем эта цифра только растет.

Процесс анодирования был значительно усовершенствован за последние годы: снизились объемы токсичных стоков, сократились расходы на их переработку, новая технология позволяет менять и корректировать параметры процесса в рабочем режиме – все это способствовало повышению уровня качества конечного продукта и снижению производственных издержек.

Непрерывный способ фильтрации обладает несколькими характеристиками, которые сделали его наиболее распространенным методом сокращения затрат и повышения качества анодных покрытий. Убедиться в этом легко, ознакомившись с особенностями нескольких систем непрерывной фильтрации, дополненными устройствами воздушного перемешивания, а также сравнив данные о работе с фильтруемыми и не фильтруемыми электролитами.

Научно-практическая литература, освещающая технологию анодирования, практически не затрагивает проблему фильтрации электролитов. В большинстве случаев при нанесении этого покрытия используются растворы, изготовленные технологами предприятия с применением известных специалистам материалов и химических веществ (разумеется, сказанное не относится к окрашиванию и очистке, которые выполняются с помощью запатентованных средств). Какое-то время, такие вещества, как сернокислый раствор анодирования, никельацетатный раствор уплотнения, раствор осветления на основе азотной кислоты и щелочной состав для травления, считались не подлежащими вторичному использованию и расходовались в больших объемах.

Тогда все производственные стоки перемешивались, чтобы нейтрализовать кислоты и щелочи, очищались от металлов и сливались в соответствии с действующими нормами.

В наши дни службы экологического контроля требуют более тщательной очистки и переработки, а также соблюдения жестких требований к концентрации химических веществ.

Расход воды на производственных предприятиях тщательно контролируется, а перерасход влечет дополнительные затраты. Природоохранное законодательство требует более тщательной очистки выбросов. В то же время, содержащиеся в них химические вещества, несмотря на свою относительно низкую стоимость, составляют одну из основных статей затрат на производство.

Таким образом, увеличение срока службы электролита в два-три раза может привести к значительному сокращению расходов.

Как правило, загрязнения, попадающие в ванну анодирования, появляются там из определенных источников – нежелательные частицы и примеси не могут возникнуть ниоткуда. Следовательно, качество электролита в первую очередь зависит от того, как скоро будут обнаружены и ликвидированы эти источники загрязнений.

В большинстве случаев вода, используемая для приготовления электролита анодирования, содержит загрязнения органического и неорганического происхождения, а также незначительное количество хлора. Наличие этих загрязнений способствует преждевременному истощению ионообменных смол, необходимых для получения дистиллированной воды. Таким образом, для поддержания активного ионного обмена необходима фильтрация и угольная очистка.

Поскольку качественное анодное покрытие невозможно без предварительной подготовки, выполненной должным образом, и в особенности очистки, начать поиск источников загрязнений  следует именно с этапа очистки и промывки. Интенсивное перемешивание моющего средства вызывает эффект «бомбардировки» поверхности деталей частицами раствора, в результате которого удаляются твердые загрязнения и жир. Применение крупноячеистого материала для фильтрации, который удерживал бы твердые частицы, значительно продлевает срок службы моющего средства.

Излишки жира, поднимающиеся на поверхность ванны, без особых трудностей удаляются во время технического перерыва в работе оборудования путем декантирования или с помощью жироулавливателей. Кроме того, жир может быть удален с помощью коагуляторов, которые позволяют избавиться от нерастворимых загрязнений (рис. 1). В этом случае может потребоваться предварительная фильтрация, чтобы предотвратить загрязнение коалесцирующего устройства.

Сейчас многие предприятия используют для перемешивания электролита центробежные насосы высокого давления, которые выкачивают его из ванны и направляют в барботажную систему (ороситель). Однако для достижения оптимального эффекта нельзя ограничиваться простой перфорацией трубы, важно правильно определить расположение эжекторных насадок на горизонтальной трубе таким образом, чтобы направить струи раствора, подаваемого для поддержания необходимой концентрации, вдоль дна ванны и вверх, в пространство между деталями и углубления на их поверхности (рис. 2 и 3).

На всех предприятиях, внедривших подобный метод перемешивания раствора анодирования, убедились в преимуществах эжекторного перемешивания. Оно позволяет предотвратить следующие технические проблемы:

  • парообразование (вне зависимости от процесса и технологии, используемой для нанесения покрытий),
  • неконтролируемые скачки температуры,
  • образование воздушных пузырей во всасывающей линии центробежных насосов, которое грозит выходом из строя насоса,
  • разложение красителей и растворов уплотнения в результате окисления.

Выбор фильтра

Главный критерий при выборе конструкции фильтра - его способность удерживать в фильтровальном материале достаточное количество взвешенных в растворе частиц. Это важно для сохранения низкого уровня давления в фильтре в течение продолжительного времени. Для этого наилучшим образом подходят объемно-пористые картриджи, в которых падение давления незначительно в течение более 85% срока их службы, тогда как картриджи не объемного, а поверхностного типа, где частицы задерживаются только внешней поверхностью картриджа, характеризуются линейной зависимостью падения давления от срока службы картриджа (рис. 4).

Ванны предварительной обработки

Для ванн обезжиривания рекомендуются фильтры, задерживающие частицы размером 30-75 микрон и более, а также фильтровальные 10-дюймовые картриджи (из расчета 3-4 картриджа на 100 галлонов или 15 фт2 площади фильтрации на 100 галлонов). При этом мощность насоса должна обеспечить фильтрацию не менее 2-х объемов в час.

Кроме того, может потребоваться установка дополнительного насоса и фильтра на ванну, а также сепаратор для удаления жировых загрязнений из раствора, оснащенный сливным карманом или поплавковым скиммером (маслосъемником). Это оборудование может использоваться в непрерывном режиме при температуре не выше 71°С, или во время технической паузы в работе системы.

Блескообразующие добавки и растворы травления также рекомендуется периодически профильтровывать, чтобы предотвратить загрязнение электролитов, которое грозит образованием дефектов покрытия (полос, пятен), и увеличить срок службы ванн. Для этих целей хорошо подойдет угольная фильтрация (размер удерживаемых частиц – 15 микрон). Из растворов осветления и травления с помощью фильтрации удаляют жиры и загрязнения, которые могут попасть в ванну в результате заноса электролита или под воздействием воздушного перемешивания.

Эжекторная система в данном случае позволит сократить теплопотерю, парообразование и испарение жидкости с поверхности ванны.

Электролиты анодирования

Поскольку атмосфера, в которой находятся ванны анодирования, отличается повышенной агрессивностью, для фильтрации рекомендуется использовать не металлическое оборудование и насосы.

Серно-кислый раствор анодирования. Для сокращения парообразования, предотвращения заноса нежелательных частиц, обеспечения необходимой интенсивности перемешивания и оптимизации температурного контроля следует установить отдельную систему, включающую насос и эжекторы.

Фильтрация позволит повысить уровень качества покрытия и продлить срок службы ванны.

Раствор анодирования на основе фосфорной кислоты, который чаще всего применяется при обработке композитных материалов, обладает известными преимуществами с точки зрения экологической безопасности. Тем не менее, для обеспечения высокой адгезии бактериальные загрязнения и другие примеси следует удалить с помощью фильтрации.

Ванны хроматирования и окрашивания очищаются с помощью фильтрующих элементов, удерживающих частицы размером 5-15 микрон. В зависимости от специфики производства может потребоваться непрерывная фильтрация, необходимая для удаления загрязнений и примесей, присутствие которых в растворе чревато дефектами покрытий и преждевременным истощением ванны. Наличие в ванне жировых скоплений может вызвать такие дефекты покрытий, как полосы и пятна. Окрашивающие составы фильтруют для удаления частиц и побочных продуктов, формирующихся в результате взаимодействия красящего вещества и вносимого электролита. Следует помнить, что равномерность цвета покрытия зависит от степени очистки раствора.

Уплотнение

Если для окрашивания используются органические красители, растворы уплотнения следует подвергать непрерывной угольной фильтрации. Примеси, формирующиеся в ванне уплотнения, а также побочные продукты реакции, возникающей в результате взаимодействия раствора с красящим веществом, образуют на поверхности деталей угольный налет, который должен быть впоследствии удален. Для очистки ванн уплотнения используют материалы, удерживающие частицы размером 15 микрон, из расчета 2-4 картриджа на 100 галлонов при интенсивности фильтрации – 2-3 объема в час. Чтобы предотвратить обесцвечивание деталей, окрашенных с использованием органических красителей, следует прибегнуть к непрерывной угольной обработке.

Опыты применения

Мощная линия анодирования ежемесячно потребляет 1 900 000 кВт энергии по цене 152 доллара в месяц или 0,08 центов за 1 кВт. Средняя производительность цеха анодирования составляет 242 м2/час.

Как известно, на формирование оксидной пленки на поверхности аллюминия, в основном, влияет величина плотности тока, а не напряжения. По мере увеличения концентрации алюминия и других растворенных в ванне нежелательных веществ все большее количество тока расходуется на ионы, содержащиеся в ванне. Чтобы добиться заданной толщины покрытия, необходимо увеличить напряжение, компенсировав таким образом ионный ток, потраченный не по назначению, и восстановив необходимую плотность тока.

Обработка 10 м2 алюминиевой поверхности при плотности тока 1,5 А/дм2 требует выпрямленного тока до 1 500 А. Стандартный техпроцесс анодирования алюминия предусматривает напряжение в пределах 12-17 В (в зависимости от сплава). Потребление энергии, соответствующее этому назначению, рассчитывается путем умножения напряжения на силу тока 15 В х 1 500 А = 22 500 Вт или 22,5 кВт. За 8-часовой рабочий день в таком режиме будет израсходовано 22,5 кВт х 8=180 кВтч.

При обработке 100 м2 алюминиевой поверхности в час, расход энергии составит 1 800 кВтч за 1 рабочий день.

Контроль концентрации алюминия в ванне анодирования – путем правильного выбора используемых растворов и системы фильтрации – позволит снизить нецелевой расход силы тока и получить покрытие аналогичной толщины при менее высоком напряжении.

В большинстве случаев сокращение напряжения достигает уровня 1-3 В. Возьмем среднее значение 2 В и подставим в выше приведенную формулу: 13В х 1500А = 19500 Вт или 19,5 кВт в час на 100 фт обработанной поверхности (156 кВтч). Для 100 м2 потребление энергии составит 1560 кВтч. Ежедневный расход энергии снизится на 240 кВтч. Возвращаясь к цеху, описанному выше, можно сделать следующие выводы:

  • согласно расчетам, выполненным ранее, соотношение между расходами на охлаждение и нагрев составляет 4:1. Для данного предприятия это означает, что на охлаждении будет сэкономлено $156 352, при потенциальном сокращении расходов на электроэнергию в целом на $195 440 в год.
  • экономия химических веществ в результате отказа от нейтрализации кислот и щелочей позволит компании сохранит $31 800 ежегодно. Таким образом, общая сумма, сэкономленная в результате применения фильтрации, составит $227 240 в год.

Выводы

Современный рынок металлообработки, с его ужесточившейся конкуренцией, высокими стандартами качества и экологическими требованиями, заставляет производства предпринимать все новые усилия в стремлении сохранить заказчиков и репутацию компании. Под давлением природоохранного законодательства предприятия переходят на более экономичный подход к расходованию химических веществ и материалов. Стоимость переработки токсичных отходов и их сброса, а также связанные с ним обязательства, убеждают современные компании в том, что внедрение систем фильтрации и очистки, позволяющих продлить срок использования электролитов, - высоко эффективная и экономически выгодная мера.

Запрет на обезжиривание в парах растворителя привел к использованию растворов обезжиривания на водной основе. Существующие системы обезжиривания должны быть доработаны с учетом необходимости удаления ими большего количества загрязнений. Чтобы сохранить заданный уровень качества и сократить процент брака, следует ужесточить контроль над выполнением всех процессов.

Сократить производственные издержки, улучшить качество конечного продукта, повысиь прибыль поможет внедрение новых технологий фильтрации, очистки и перемешивания.