Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô Thiết kế dây chuyền mạ hợp kim zn ni cho linh kiện ô tô
LÝ THUYẾT CHUNG
Tổng quan về mạ hợp kim Zn-Ni
Hiện nay, lớp phủ hợp kim kẽm-nikel đang được sử dụng để nâng cao tuổi thọ cho lớp phủ hy sinh kẽm, nhờ vào khả năng chống ăn mòn vượt trội Với lịch sử lâu đời hơn các lớp phủ hợp kim kẽm khác, lớp phủ này không chỉ cải thiện độ bền mà còn tăng cường tính chất dẻo của các miếng thép sau khi xử lý nhiệt Điều này giúp tối ưu hóa khả năng chống ăn mòn, khiến hợp kim kẽm-nikel trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc phủ các chi tiết như bulong kết nối và các bộ phận trong hệ thống phanh và nhiên liệu.
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu chống gỉ cho các chi tiết tàu thủy, máy móc cơ khí, điện tử và ô tô ngày càng cao Trong môi trường khắc nghiệt, lớp mạ kẽm trên sắt thép không đáp ứng được yêu cầu này Mặc dù cadimi có khả năng chống gỉ tốt, nhưng tính độc hại của nó gây ô nhiễm môi trường Do đó, lớp mạ hợp kim dựa trên kẽm như Zn-Ni, Zn-Co, Zn-Fe và Zn-Ti đang được nghiên cứu và phát triển, trong đó lớp mạ hợp kim Zn-Ni được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô Độ bền chống gỉ của lớp mạ này phụ thuộc lớn vào thành phần hợp kim, với hợp kim Zn-Ni có hàm lượng 10-15% mang lại hiệu quả chống gỉ tốt nhất và dễ dàng thụ động hóa.
Lớp phủ hợp kim kẽm-niken nổi bật với khả năng chống nhiệt, tia cực tím, chất lỏng thủy lực và nhiên liệu, ngày càng được ưa chuộng trong ngành công nghiệp bulong và các bộ phận có ren Mặc dù không ngăn cản sự ăn mòn điện khi tiếp xúc với nhôm, nhưng lớp phủ này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xử lý thân nhôm Tuy nhiên, hợp kim kẽm-niken được xem là lớp phủ đắt tiền nhất, với các đặc tính khác nhau được tạo ra từ quá trình phủ bằng bể axit và kiềm Trong đồ án này, tôi đã áp dụng hệ dung dịch mạ kiềm cho lớp mạ hợp kim kẽm-niken.
Lớp phủ kẽm-nikel được ưa chuộng trong ngành công nghiệp nhờ khả năng chống ăn mòn xuất sắc và khả năng kéo dài tuổi thọ cho lớp mạ kẽm Kẽm, với thế tiêu chuẩn -0,76 V/SHE, hoạt động như lớp phủ anot hy sinh cho thép, bảo vệ chống lại sự ăn mòn Đặc tính của lớp phủ này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thành phần, độ pH, nhiệt độ, mật độ dòng điện và chế độ ứng dụng Nikel đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng chống ăn mòn của lớp phủ kẽm-nikel bằng cách giảm quá trình hydrat hóa của Zn(OH)2 thành ZnO, dẫn đến độ ăn mòn thấp hơn Với độc tính và chi phí cao của lớp phủ cadimi, lớp phủ kẽm-nikel trở thành lựa chọn thay thế hiệu quả và an toàn hơn.
Nghiên cứu cho thấy các lớp phủ kẽm-nikel với 10-15% trọng lượng nikel có khả năng chống ăn mòn, độ dẻo và khả năng hàn tốt hơn Mặc dù trong ngành hàng không, hàm lượng nikel thường đạt 15-22%, nhưng các hợp kim chứa 10-15% nikel lại đóng vai trò quan trọng trong việc chống ăn mòn Trong đồ án này, tôi sẽ thiết kế theo thành phần hợp kim với tỷ lệ 85% Zn và 15% nikel.
Ni (dung sai cho phép Ni ~ 11-16%) [7]
Hình 1.1 minh họa hình thái vi mô của lớp phủ hợp kim kẽm-nikel với các hàm lượng nikel khác nhau, từ 6,49% đến 15,08% Khi hàm lượng nikel thấp, lớp phủ sẽ không đồng đều, lỏng và thô Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng nikel, lớp phủ trở nên mịn, sáng và đồng đều hơn Đặc biệt, với tỷ lệ nikel 15,08%, lớp phủ đạt được độ đồng nhất và kín khít, đồng thời cải thiện khả năng chống ăn mòn.
Do đó, chọn tỷ lệ hàm lượng Zn-Ni = 85-15% Ưu điểm của lớp phủ:
Mạ kẽm-niken mang lại khả năng bảo vệ chống ăn mòn vượt trội, ngay cả khi bị hư hỏng cơ học hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao Quy trình này cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt hơn gấp 4 lần so với mạ kẽm thông thường.
Phụ gia kẽm-niken mới mang đến tính chất bám dính tuyệt vời, cho thấy sự khác biệt nhỏ trong khả năng uốn cong so với mạ kẽm tiêu chuẩn.
- Mức độ cứng rõ rệt – Mức độ cứng lớp mạ của lớp mạ kẽm-niken cứng hơn đến 2 lần so với lớp mạ kẽm tiêu chuẩn
Kẽm-niken tạo ra một hợp kim độc đáo với khả năng chống ăn mòn vượt trội, giúp bảo vệ bề mặt gấp 10 lần so với lớp mạ kẽm thông thường.
- Sử dụng ngoài trời hoặc các bộ phận chịu môi trường khắc nghiệt
- Chịu nhiệt và có thể duy trì khả năng chống ăn mòn sau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao
- Có thể là một sự thay thế tuyệt vời cho mạ cadimi hoặc mạ kẽm nhúng nóng trong một số ứng dụng nhất định
- Cung cấp một lớp phủ mỏng, mịn, đồng nhất có thể để được sử dụng trên các bộ phận có ren với dung sai kích thước chặt chẽ
- Mức độ chống ăn mòn cao của lớp phủ Zn-Ni: Không có sản phẩm ăn mòn lớn so với lớp phủ kẽm
Bảo vệ chống ăn mòn kim loại cơ bản là giải pháp hiệu quả, cung cấp khả năng bảo vệ catot lâu dài mà không gây nguy cơ giòn hydro, phù hợp với tất cả các phương tiện thủy lực thông thường.
Hình 1.2 Hiệu suấy ăn mòn của ốc vít mạ kẽm-niken (14%) so với kẽm khi được kiểm tra theo ISO 9227
Nhược điểm của mạ kẽm-niken:
- Giá cao hơn so với quy trình mạ kẽm (chi phí sản xuất cao)
Mạ kẽm tiêu chuẩn ngày nay ít tốn kém hơn nhờ vào sự phát triển của nhiều công nghệ mới trong quá trình tạo ra lớp phủ thụ động và lớp mạ Điều này giúp lớp phủ kẽm tiêu chuẩn đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về khả năng chống ăn mòn cao hơn của khách hàng.
Bảng so sánh các tính chất so với mạ kẽm thông thường
Tính chất Mạ kẽm Mạ Zn-Ni
Chống ăn mòn trong điều kiện khí quyển bình thường (không bền trong các môi trường khí quyển bị ô nhiễm, khí quyển biển và môi trường nước biển)
Bảo vệ, chống ăn mòn tốt trong môi trường khắc nghiệt
Bảo vệ gấp 10 lần so với kẽm thông thường [7]
Khả năng chống ăn mòn
Tốc độ ăn mòn nhanh (1-1,5 àm ở nụng thụn, 1,5-2 àm ở vựng nhiệt ẩm, 6-8 àm ở vựng công nghiệp; ở vùng biển kẽm bị ăn mòn rất mạnh)
Tốc độ ăn mòn chậm (tuổi thọ cao trong nước mặn)
Trong môi trường axit và kiềm mạnh, lớp mạ kẽm bị phá hủy nhanh chóng
Khả năng chống ăn mòn 200-
Chống ăn mòn tuyệt vời (vượt quá 1.500 giờ phun muối theo tiêu chuẩn ASTM B117) không bị gỉ đỏ (trong ngành hàng không – vượt quá 3.000h trong môi trường khí quyển)
Sản phẩm có khả năng chống ăn mòn lên đến 168 giờ và 300 giờ, đồng thời chịu được nhiệt độ 210 độ C trong 10 giờ mà không thay đổi màu sắc.
Thụ động cung cấp thêm 150-250 giờ phun muối và khả năng chống gỉ trắng 5%
Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào tính chất môi trường ăn mòn và tỷ lệ với độ dày lớp mạ[2]
Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào dung dịch % trọng lượng Ni và các yếu tố mạ
Cơ tính Độ cứng không cao,
Cứng hơn kẽm (350-450HV), chống trầy xước vượt trội
Cứng hơn gấp 2 lần so với lớp mạ kẽm tiêu chuẩn
Tuổi thọ không bằng kẽm- niken
Khả năng chịu nhiệt kém (không bền đối với tác dụng của hơi nước nóng hơn 60 o C và khí hậu nhiệt đới)
Nếu trên 70 o C thì kẽm lại là catot cho thép nên thép bị ăn mòn còn kẽm thì không
Khả năng chịu nhiệt lên đến
120 o C (không mất khả năng chống ăn mòn do tải nhiệt
Lớp mạ lâu ngày cần sử dụng axit hoạt hóa để hàn Mặc dù độ bám dính không bằng mạ kẽm Zn-Ni, nhưng vẫn có sự khác biệt nhỏ Đặc tính hàn tốt cùng khả năng bám dính và chống ăn mòn xuất sắc trong các ứng dụng nhiệt độ cao là những ưu điểm nổi bật.
Lớp kẽm có tính giòn nhưng trở nên dẻo hơn khi nhiệt độ tăng, cho phép dễ dàng uốn cong và biến dạng sau khi mạ Đặc biệt, lớp mạ này có khả năng chịu nén tốt, mang lại hiệu quả cao trong ứng dụng.
Khi nhiệt độ tăng tới 250 o C thì lớp mạ lại rất giòn và dễ nghiền thành bột phụ kiện và các mặt hàng dạng ống khác)
Chịu được các loại nhiên liệu và chất lỏng khác nhau, Chịu được áp suất cực lớn, duy trì hiệu suất ăn mòn
Dạng mạng lục giác xếp và được tạo nên bởi nhiều lớp riêng biệt
Dạng lập phương, pha gamma (Ni5Zn21) Ứng dụng
Trong ngành công nghiệp, các sản phẩm như dây thép, ống dẫn nước, nan hoa xe đạp, đinh ốc, bulong dùng trong đóng tàu, và các chi tiết máy hoạt động trong môi trường công nghiệp, mỏ và địa chất đóng vai trò quan trọng.
Sử dụng ngoài trời hoặc các bộ phận chịu môi trường khắc nghiệt + Trong ngành ô tô (các ống truyền chất lỏng, các khớp nối khung gầm, bề mặt dưới)
+ Trong ngành hàng không vũ trụ và quốc phòng
+ Điện tử - đầu nối, thay thế cadimi để cung cấp khả năng chống ăn mòn và độ dẫn điện cao + Máy móc công nghiệp
+ Thủy lực, truyền tải điện, thiết bị nặng
Màu sắc Trắng, trắng xanh, lục, vàng, ngũ sắc, đen
Bảng 1.1 Bảng so sánh kẽm với hợp kim kẽm
Các yếu tố ảnh hưởng
Các yếu tố làm ảnh hưởng đến quá trình mạ điện và tương ứng với chất lượng lớp mạ gồm:
Tối ưu hóa nồng độ các ion kim loại trong dung dịch điện ly là yếu tố quan trọng trong quá trình điện phân hợp kim kẽm-niken trong ngành công nghiệp Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện ly có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc điểm lớp phủ, bao gồm độ sáng.
Các dung dịch này chứa nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm hợp chất chứa ion kim loại mạ, hợp chất tạo phức, hợp chất tạo môi trường, hỗn hợp đệm và một số hợp chất khác với các chức năng riêng Những hợp chất này có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lớp mạ khi hoàn thiện.
Hợp kim có hàm lượng Ni giảm dần khi tăng nồng độ kẽm (tỷ lệ Zn/Ni tăng dần) niken trong hợp kim đạt giá trị cao nhất
Nồng độ NaOH không ảnh hưởng đến hàm lượng niken trong lớp mạ nhưng ở nồng độ cao sẽ làm giảm độ dày lớp mạ kẽm-niken
Nồng độ ZnO lý tưởng để pha chế là 200 g/l, giúp đảm bảo lớp mạ không có cặn bị đốt cháy Nếu nồng độ ZnO thấp, sẽ xuất hiện cặn sáng, trong khi nồng độ cao hơn không mang lại sự cải thiện về chất lượng mà còn gây lãng phí.
NiSO4: Niken sunfat ảnh hưởng trực tiếp đến độ bóng và sáng của lớp mạ Tăng nồng độ NiSO4 thì việc giải phóng hydro bị giảm đi
N2C2H8 có ảnh hưởng đến độ sáng của lớp mạ, hoạt động như một chất xúc tác đồng nhất hoặc hấp phụ trên bề mặt điện cực, giúp thúc đẩy quá trình mạ và tăng cường kết tủa niken.
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của lớp mạ hợp kim kẽm-niken, với nghiên cứu chỉ ra rằng khi giữ các thành phần dung dịch khác không đổi, nhiệt độ trong bể sẽ thay đổi thành phần hóa học, đặc biệt là hàm lượng niken Cụ thể, nồng độ niken tăng khi nhiệt độ tăng, dẫn đến quá trình động học và ion hóa lớp mạ cũng gia tăng Sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên hàm lượng Ni trong hợp kim rất rõ ràng, khi nhiệt độ cao làm tăng mạnh nồng độ Ni, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình kết tủa niken, giúp lớp mạ trở nên sáng và bề mặt mịn Ngoài ra, nhiệt độ còn ảnh hưởng đến Ecb theo phương trình Nernst, trong khi quá trình mạ hợp kim Zn-Ni cho thấy niken phóng điện trước (ENi 2+).
/Zn = -0,76V) tức là quá thế của niken giảm ít hơn so với quá thế của kẽm, do vậy khi tăng nhiệt độ, hàm lượng niken trong Zn-Ni tăng [7]
Khi nhiệt độ tăng lên 45 o C, hàm lượng niken trong hợp kim đạt 17,29%, nhưng nếu niken vượt quá 15%, lớp mạ sẽ trở nên giòn hơn và khó thụ động, đồng thời làm tăng chi phí do tiêu hao niken Do đó, nhiệt độ lý tưởng cho mạ hợp kim Zn-Ni là từ 20-40 o C, giúp tạo ra cấu trúc lớp mạ mịn, đồng nhất và không có vết nứt Ngoài ra, điện thế catot tăng mạnh ở 60 o C, trong khi hiệu suất dòng điện giảm khi nhiệt độ vượt quá 40 o C.
Hình 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng niken trong quá trình lắng đọng điện của hợp kim kẽm-niken [8]
Nhiệt độ 25-140 o C: Hàm lượng niken tăng chậm cho đến khi nhiệt độ đạt
Ở nhiệt độ 30-40 °C, hình thái nhỏ gọn, một pha và không có vết nứt có thể đạt được Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng lên 60 °C, điện thế của catot tăng mạnh, trong khi hiệu suất dòng điện lại giảm khi vượt quá 40 °C.
Khi độ pH của dung dịch tăng lên đến 5,5, tỷ lệ phần trăm trọng lượng niken trong dung dịch cũng tăng theo Ngược lại, sự giảm độ pH sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn, gia tăng sự phát triển của khí hydro, và khiến lớp mạ trở nên giòn và dễ bị nứt.
Hình 1.4 Ảnh hưởng của pH dung dịch mạ đến hàm lượng niken của lớp mạ Điều kiện mạ: 3 Aldm2, 30 °C, khuấy trộn trong không khí, 15 g/l Ni trong dung dịch [8]
Độ pH của dung dịch mạ có ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng niken trong lớp mạ; cụ thể, khi độ pH giảm, hàm lượng niken trong lớp mạ cũng sẽ giảm theo.
Mật độ dòng điện đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa bể hợp kim kẽm-niken nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn Nghiên cứu cho thấy rằng mật độ dòng điện ảnh hưởng đến % trọng lượng niken, độ cứng, độ dày và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ Ở mật độ dòng điện cao, sự lắng đọng kim loại kẽm diễn ra dễ dàng hơn trên bề mặt catot Trọng lượng niken tăng ở mật độ dòng điện thấp do ít hydro, tạo ra tác dụng kiềm cao Độ cứng của lớp phủ kẽm-niken giảm khi tăng dòng điện catot, liên quan đến sự giải phóng hydro quá mức trong quá trình phóng điện Lớp mạ hình thành ở mật độ dòng điện cao ít bị xâm nhập chất bẩn, tạo ra lớp mạ sáng bóng Độ dày lớp phủ có mối quan hệ tuyến tính với mật độ dòng điện, do sự hấp thụ hydroxit kim loại tại catot Khi mật độ dòng điện tăng, % trọng lượng niken tăng lên từ 7-19% và kích thước hạt trung bình giảm.
Mật độ dòng điện thấp làm cho hình thái lớp phủ trở nên nhỏ gọn hơn, trong khi độ dày lớp mạ sẽ tăng khi mật độ dòng điện gia tăng Sự gia tăng mật độ dòng điện cũng dẫn đến hàm lượng Ni cao hơn và tăng tỷ lệ pha gamma tương ứng.
Ở mật độ dòng 3 A/dm², lớp mạ hợp kim Zn-Ni đạt được bề mặt đồng nhất, màu ghi xám và bám chắc với nền, tạo ra lớp mạ tốt nhất Khi mật độ dòng giảm xuống dưới 3 A/dm², bề mặt lớp mạ trở nên mịn hơn, trong khi khi mật độ dòng tăng lên trên 3 A/dm², lớp mạ trở nên thô và tối hơn.
Hàm lượng niken (Ni) trong hợp kim Zn-Ni tăng từ 12-15% khi mật độ dòng điện tăng từ 1-3A/dm² Sự gia tăng này xảy ra do kim loại kém quý hơn, trong trường hợp này là kẽm (Zn), dễ dàng hơn trong quá trình phóng điện đồng thời tạo hợp kim Khi nồng độ kẽm tại bề mặt catot trở nên cao, quá trình khuếch tán sẽ ảnh hưởng và làm giảm hàm lượng kẽm Tăng mật độ dòng điện sẽ thúc đẩy tốc độ mạ, từ đó tăng cường quá trình khuếch tán kẽm vào bề mặt catot, dẫn đến hàm lượng kẽm trong hợp kim giảm dần.
Khi mật độ dòng mạ tăng, thế ăn mòn dịch chuyển về phía dương, do đó khả năng bảo vệ tăng lên Điều này xảy ra vì thành phần hợp kim không thay đổi nhiều, mà chủ yếu là do lớp mạ dày hơn khi mạ ở mật độ dòng cao.
Khi mật độ dòng điện tăng, hình thái lớp phủ trở nên nhỏ gọn hơn và độ dày dung dịch cũng tăng lên Sự gia tăng mật độ dòng điện dẫn đến hàm lượng Ni cao hơn, đồng thời pha gamma cũng tăng theo.
Ứng dụng mạ hợp kim Zn-Ni
Kẽm-niken là lớp phủ hiệu suất cao, mang lại khả năng bảo vệ vượt trội chống ăn mòn trong các môi trường khắc nghiệt Lớp phủ này có thể được điều chỉnh để đáp ứng nhiều tiêu chuẩn chống ăn mòn khác nhau.
Lớp phủ hợp kim kẽm-niken không chỉ được sử dụng trong thùng xe bằng thép mà còn cho nhiều ứng dụng khác như chất xúc tác điện, điện cực hydro, và lớp phủ cho các kết nối dây thép trong ngành hàng không vũ trụ và điện tử Trong ngành ô tô, kẽm-niken được áp dụng cho ống truyền chất lỏng, cho phép tạo hình theo yêu cầu sau khi mạ Ngoài ra, kẽm-niken còn được sử dụng để nẹp vít trong các khu vực có độ ăn mòn cao, thay thế cho cadimi dưới mui xe và các khớp nối khung Các ứng dụng trong hàng không vũ trụ và quốc phòng cũng bao gồm việc kết hợp các thành phần với nhôm.
Tại Bắc Mỹ và Châu Âu, ô tô phải đối mặt với điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt trong mùa đông khi các thành phố rải muối, canxi clorua và cát để đảm bảo an toàn đường bộ Những hạt cát có thể gây xói mòn và tạo ra lỗ hổng trên bề mặt ô tô Do đó, mạ kẽm-niken đã trở thành giải pháp hiệu quả để chống ăn mòn cho các bộ phận ô tô, bảo vệ chúng khỏi những môi trường khắc nghiệt này.
Lớp phủ hợp kim kẽm-nikel nổi bật với khả năng chống ăn mòn vượt trội so với lớp phủ kẽm, được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện và xây dựng, cũng như lớp phủ hợp kim nhôm Đây là lựa chọn thay thế an toàn cho lớp phủ cadimi, vốn có độc tính cao và tiềm ẩn nhiều rủi ro về sức khỏe và ô nhiễm Do đó, các quy định môi trường hiện nay đang thúc đẩy việc sử dụng các hệ thống bảo vệ thay thế.
Nghiên cứu cho thấy hợp kim kẽm-nikel được phun lên bề mặt liên kết của lớp phủ gốm trên nền thép nhằm cải thiện tính chất ăn mòn và khả năng bám dính của lớp phủ gốm plasma Lớp phủ hợp kim kẽm-nikel có nhiều ứng dụng quan trọng.
- Trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và quốc phòng
- Ngành công nghiệp điện tử
- Ngành giao thông vân tải
Hình 1.5 Sơ đồ các ứng dụng của lớp phủ hợp kim kẽm-niken [7]
Kẽm bảo vệ thép khỏi ăn mòn nhờ tính chất hy sinh, thường được sử dụng trên các tấm thép mạ kẽm với lớp phủ dày Các tấm thép này có ứng dụng trong ngành ô tô, mang lại tính năng trang trí, vệ sinh, độ dẻo và khả năng hàn cần thiết Đặc biệt, độ dẻo và tính hàn là yếu tố quan trọng trong chế tạo thùng xe mà không làm thay đổi tính chất cơ học của thép Để nâng cao khả năng chống ăn mòn, cần tăng độ dày lớp mạ kẽm, tuy nhiên điều này có thể làm giảm độ dẻo và khả năng hàn Thiết kế cải thiện khả năng chống ăn mòn dựa trên bảo vệ của kẽm trong môi trường tự nhiên, với các nghiên cứu cho thấy rằng các nguyên tố hợp kim như Co, Ni, Mg, Al và Mn có thể làm chậm quá trình chuyển đổi Zn(OH)2 thành ZnO Niken và coban được chọn làm nguyên tố hợp kim có khả năng gắn kết điện, và khả năng chống ăn mòn của các tấm thép tẩm điện đã được xác nhận qua thử nghiệm thực tế trên ô tô trên các con đường tráng muối.
THIẾT KẾ
Giới thiệu chi tiết mạ
Mạ chi tiết linh kiện ô tô có diện tích 0,8 dm 2 Chiều dài 8,06 cm, chiều rộng 4,5 cm, dày 2mm
Vật mạ được làm bằng thép, đúc thành khối có dạng như hình vẽ
Hình 2.1 Chi tiết mạ hợp kim Zn-Ni trong linh kiện ô tô
Quy trình công nghệ
Sơ đồ dây chuyền công nghệ
Hình 2.2 Sơ đồ dây chuyền công nghệ mạ hợp kim Zn-Ni
Thông số của quá trình mạ
Bảng 2.1 Thông số của quá trình mạ
STT Công đoạn Thông số
5 Tẩy dầu mỡ điện hóa
Chất phụ gia ZN-A5 4-6 ml/l pH 13
10 Rửa thu hồi dd mạ
16 Rửa thu hồi 4 Nước RO
Thuyết minh sơ đồ dây chuyền công nghệ a) Gia công cơ
Trước khi tiến hành mạ, cần thực hiện gia công cơ khí để đảm bảo bề mặt phẳng, không lồi lõm, không có gai hay vết xước Đồng thời, quá trình này cũng giúp loại bỏ các lớp gỉ, đánh bóng bề mặt và tẩy sạch dầu mỡ.
Sau khi hoàn tất quá trình gia công, phôi sẽ được chuyển đến khu vực tập kết để lắp lên gá mạ Trong quá trình treo phôi mạ, cần đảm bảo khoảng cách hợp lý giữa các phôi để tránh va chạm và rơi trong quá trình di chuyển Tiếp theo, phôi sẽ được tẩy dầu nóng để chuẩn bị cho bước mạ tiếp theo.
Các chi tiết kim loại thường được phủ dầu mỡ để bảo vệ bề mặt khỏi gỉ sét do tiếp xúc với không khí và độ ẩm, đặc biệt là những chi tiết không được mạ ngay sau khi gia công.
Lớp dầu mỡ mỏng trên bề mặt kim loại tạo ra tính kị nước, ngăn cản sự tiếp xúc với dung dịch tẩy và dung dịch mạ, dẫn đến việc kim loại mạ không thể bám dính hiệu quả lên bề mặt vật mạ.
Có nhiều cách để tẩy dầu mỡ với từng điều kiện khác nhau nhưng trong đồ án này em chọn tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm nóng
Tại cơ sở sản xuất, lớp dầu mỡ trên bề mặt được tẩy bằng kiềm nóng (60-
80 o C) Thời gian tẩy dầu mỡ phụ thuộc vào lớp dầu mỡ, bụi bẩn bám trên bề mặt vật mạ, thành phần và nồng độ dung dịch tẩy
Xà phòng C17H35COONa được sinh ra dễ tan trong nước, nhất là nước nóng, rồi xà phòng lại tẩy rửa cho bề mặt kim loại
Bể dầu mỡ được kiểm tra hằng ngày, phân tích, bổ sung thêm Na3PO4,
Na2SiO3 và chất hoạt dộng bề mặt cho bể
Về thành phần dung dịch:
NaOH có khả năng xà phòng hóa mạnh mẽ, nhưng khi nồng độ quá cao, nó dễ tạo ra màng oxit trên bề mặt thép, đồng và hợp kim đồng, dẫn đến hiện tượng thụ động Ngược lại, đối với các kim loại màu khác và kim loại nhẹ, NaOH lại gây ra sự ăn mòn.
Na3PO4 là một hợp chất có khả năng thấm ướt và nhũ hóa tốt, giúp dễ dàng rửa sạch bề mặt Khi thủy phân, Na3PO4 tạo ra môi trường kiềm, có tính đệm và hoạt động như chất hoạt động bề mặt (HĐBM), giúp phân tán các chất bẩn hiệu quả Ngoài ra, nó còn có khả năng làm mềm nước bằng cách tạo phức với ion Ca²⁺ và Mg²⁺, từ đó giúp dễ dàng loại bỏ NaOH và Na2SiO3 bám trên bề mặt kim loại.
Na2SiO3, trong môi trường kiềm yếu, có khả năng nhũ hóa và ức chế ăn mòn Khi thủy phân, nó tạo ra axit silixit keo, giúp phân tán chất rắn và cải thiện khả năng tẩy rửa Đồng thời, nó ngăn cản sự kết tủa của chất bẩn trên bề mặt vừa được tẩy, tạo ra một lớp màng mỏng bảo vệ trên bề mặt kim loại.
Na2SiO3 và Na3PO4, rất dễ rửa sạch trong nước trung tính hoặc kiềm yếu
- Chất HĐBM làm tăng hiệu quả tẩy rửa c) Tẩy gỉ
Trên bề mặt kim loại thường phủ lớp oxit dày gồm oxit sắt (FeO, Fe2O3,
Để chuẩn bị cho công đoạn tiếp theo, cần loại bỏ lớp gỉ trên bề mặt Fe3O4 Trong đồ án này, tôi sử dụng dung dịch tẩy gỉ bằng axit HCl với nồng độ 150 g/l ở nhiệt độ 40 độ C Nồng độ và nhiệt độ cao hơn có thể tạo ra mùi khó chịu và làm sắt nền bị ăn mòn nhanh chóng Việc tẩy bằng HCl sẽ nhanh hơn và mang lại bề mặt trắng sáng hơn.
Chúng ta có thể bổ sung chất ức chế ăn mòn urotropin và chất chống bay hơi để giảm thiểu sự phát tán hơi axit trong quá trình tẩy, từ đó hạn chế hiện tượng hòa tan kim loại nền.
Hằng ngày, cần thực hiện kiểm tra và phân tích bể, đồng thời bổ sung dung dịch axit HCl, chất ức chế ăn mòn và chất chống bay hơi Ngoài ra, tiến hành tẩy dầu điện hóa để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Sau khi rửa qua nước để làm sạch lớp dầu mỡ còn lại, vật mạ được đưa qua bể tẩy dầu điện
Tẩy dầu mỡ điện hóa là quá trình tẩy dầu mỡ hóa học kết hợp với dòng điện, trong đó vật tẩy được kết nối với một điện cực, trong khi điện cực còn lại được làm bằng thép không gỉ Dung dịch tẩy dầu mỡ điện hóa bao gồm Na3PO4.12H2O với nồng độ 30 g/l, NaOH 15 g/l và Na2SiO3 5 g/l, cùng với mật độ dòng điện từ 4-8 A/dm², giúp tách dầu mỡ hiệu quả khỏi bề mặt thép.
Bể được gia nhiệt đến khoảng 70-80 o C Vật mạ tẩy dầu mỡ hóa học trong thời gian 5 phút
Phân cực catot không chỉ giúp tẩy rửa hóa học qua dung dịch mà còn tạo ra khí hydro, làm bong lớp dầu mỡ trên bề mặt điện cực, từ đó tăng cường tốc độ và hiệu quả tẩy rửa Tuy nhiên, khí hydro này cũng có thể hydro hóa và biến chất một số loại dầu mỡ, đồng thời gây hiện tượng thấm và làm giòn kim loại Do đó, cần hạn chế việc sử dụng tẩy catot quá lâu, đặc biệt là đối với các vật mạ có kích thước nhỏ.
Tẩy dầu mỡ điện hóa là phương pháp hiệu quả cho các vật có hình dáng đơn giản, nhưng không phù hợp cho những vật có cấu trúc phức tạp với nhiều ngóc ngách và khe khuất do phân bố dòng điện không đồng đều Ưu điểm nổi bật của tẩy dầu điện hóa là tính nhanh chóng và sạch sẽ của quá trình này.
Dù bề mặt vật mạ đã được tẩy rửa kỹ lưỡng, nếu không loại bỏ màng oxit trước khi mạ, độ bám dính sẽ kém, dẫn đến hiện tượng bong tróc Để khắc phục tình trạng này, cần tiến hành tẩy bỏ màng oxit trước khi nhúng chi tiết vào bể mạ.
Với thép cacbon dùng dung dịch HNO3 60-70 g/l + H2SO4 80-100 g/l, tẩy ở nhiệt độ phòng trong 3-5s, rửa nhanh và nhúng chi tiết trực tiếp vào bể mạ
Hằng ngày, cần kiểm tra và phân tích dung dịch, đồng thời bổ sung H2SO4 và HNO3 cho bể Bước trung hòa là rất quan trọng trước khi đưa phôi vào mạ, với dung dịch NaOH nồng độ 120 g/l được sử dụng để trung hòa trong vòng 1 phút Khi chuyển vật mạ từ bể trung hòa sang bể mạ, cần bổ sung thêm lượng NaOH đã mất để duy trì nồng độ ổn định trong bể mạ Các công đoạn như tẩy gỉ và hoạt hóa, đặc biệt với vật mạ có hình ống hoặc cấu trúc phức tạp, có thể kéo theo dung dịch từ các bể trước đó Do đó, các dung dịch axit sẽ được trung hòa tại đây để tránh ô nhiễm sang bể sau.
HCl + NaOH → NaCl + H2O (9) HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O (10)
Tính toán kỹ thuật
Chi tiết linh kiện ô tô trong đồ án này là chi tiết có diện tích 0,8 dm 2
Với công suất dây chuyền mạ treo 1 ngày phải đạt được: 16000 dm 2
➔ Công suất dây chuyền 1 năm:
➔ Số vật mạ phải mạ được trong 1 năm:
- Chọn chế độ làm việc 2 ca/ngày, mỗi ca 8 tiếng
- Số ngày làm việc trong 1 tuần là 6 ngày (nghỉ chủ nhật)
- Ở Việt Nam số ngày nghỉ lễ trong một năm là 10 ngày
- Mỗi năm có 52 tuần nên số ngày làm việc trong năm là:
Quy trình sản xuất tự động giúp giảm thiểu thời gian sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị xuống chỉ còn 5% tổng thời gian Do đó, thời gian làm việc thực tế của thiết bị được tối ưu hóa.
Bảng 2.2 Thời gian làm việc
Quỹ thời gian danh nghĩa (giờ)
Bảo dưỡng và sửa chữa (%)
Quỹ thời gian thực tế (giờ)
Thời gian làm việc trong một ngày (giờ)
Do sản xuất bao giờ cũng có phế phẩm, vì vậy năng suất thực tế phải cao hơn năng suất yêu cầu Ta chọn tỷ lệ phế phẩm là 5%
Vì vậy công suất thực tế của dây chuyền là:
Pn = Po + 5%Po = 4848000.(1+0,05) = 5090400 dm 2 /năm
Bảng 2.3 Kế hoạch sản xuất
Lượng đạt yêu cầu Lượng phế phẩm Lượng sản xuất thực tế
Số lượng Diện tích Số lượng Diện tích Số lượng Diện tích
Lượng hàng phải sản xuất được trong ngày là:
Số vật mạ phải sản xuất được trong ngày là:
Thời gian mạ điện τ được tính theo công thức:
▪ 1 là thời gian điện phân, phút
▪ 2 là thời gian thao tác, di chuyển gá và tháo lắp, phút
Khi điện kết tủa kim loại, 1 được tính theo công thức (2.1) – [4]
▪ 𝛿: chiều dày lớp kết tủa, mm
▪ 𝑞: đương lượng điện hóa, g/Ah
▪ i c : mật độ dòng catot, A/dm 2
Mạ kẽm-nikel từ dung dịch kiềm
Chiều dày lớp mạ: δ= 12 μm = 0,012 mm,
Trọng lượng riêng của kim loại mạ (85% Zn và 15% Ni) (tra phụ lục 10):
𝛾 = 7,14.0,85 + 8,85.0,15 = 7,4 (g/cm 3 ) Đương lượng điện hóa của kim loại mạ (85% Zn và 15% Ni) (tra phụ lục 13): q=1,201 (g/Ah), Mật độ dòng catot: ic = 3 A/dm 2 ,
Thời gian mạ hợp kim kẽm-nikel là 16 phút
Thời gian gia công tại mỗi bể mạ được thống kê ở bảng 1
Tính toán thông số cơ bản của dây chuyền
Chọn kích thước khung sao cho:
Mỗi khung treo được 200 vật mạ
Số đơn vị trên một khung tải: yo = 200.0,008 = 1,6 m 2
Mỗi một đơn vị nguyên bể có 2 cầu catot
Bảng 2.4 Số vật mạ trên khung
Số vật mạ trên khung
Tổng diện tích bề mặt vật mạ trên khung (m 2 /khung)
Kích thước khung (mm) LxHxW
Một năm cần mạ: 31815 (mẻ)
Một ngày cần mạ: 105 (mẻ)
Một giờ cần mạ: 7 (mẻ)
2.3.5.2 Nhịp ra hàng lý thuyết của dây chuyền
Nhịp ra hàng của dây chuyền cũng chính là nhịp ra hàng của từng khâu, là thời gian giữa hai lần lấy hàng
Nhịp ra hàng lý thuyết được tính:
T: Quỹ thời gian làm việc thực tế của thiết bị trong 1 năm;
T = 4606 giờ y: Phụ tải mạ, m 2 /khung, y = 1,6 m 2 /khung
Pn: Năng suất của dây chuyền, m 2 /năm, Pn = 50904 m 2 /năm k: Hệ số tính tới thời gian mất vào việc chuẩn bị-kết thúc sản xuất trong 1 ngày làm việc
Với chế độ làm việc 2 ca thì k = (16 – Tck)/16
Tck là thời gian chuẩn bị và kết thúc quá trình sản xuất hàng ngày, bao gồm thời gian chuẩn bị cho mẻ mạ đầu tiên và thời gian kết thúc cho mẻ mạ cuối cùng sau khi được lấy ra từ bể mạ Đây chính là khoảng thời gian gia công quan trọng trong quy trình sản xuất.
Vậy ta được nhịp ra hàng:
2.3.5.3 Số bể mạ và số bể gia công
Số đơn nguyên bể được tính theo công thức sau: ni = Ti/N (bể), (2.10) – [4]
Ti: Thời gian gia công ở bể đó, phút;
N: Nhịp ra hàng lý thuyết, phút;
- Số bể tẩy dầu nóng:
N1 = 10/8,43 = 1,18 Chọn số bể mạ ntt = 2 bể
Hệ số sử dụng thiết bị K = 1,18/2 = 0,59 (thỏa mãn)
Nhịp ra hàng thực tế: Ntt = τ / ntt = 10/2 = 5 (phút)
- Số bể mạ kẽm-nikel:
N2 = 16/8,43 = 1,89 Chọn số bể mạ ntt = 2 bể
Nhịp ra hàng thực tế: Ntt = τ / ntt = 16/2 = 8 (phút)
Các bể khác thời gian gia công nhỏ hơn 10 phút nên số đơn nguyên bể là 1
2.3.5.4 Nhịp ra hàng thực tế
Nhịp ra hàng thực tế của xưởng là tỷ số giữa thời gian mạ và số bể đã quy tròn NT
Thời gian gia công trong bể được ký hiệu là Ti, trong khi ph ni đại diện cho số đơn nguyên bể Đối với quá trình mạ nhiều lớp, nhịp ra hàng thực tế sẽ được xác định bởi khâu mạ có tỷ số ni.
Ti lớn nhất Ta có :
Tỷ số giữa thời gian của công đoạn và số đơn nguyên bể
Bảng 2.5 Tỷ số giữa thời gian của công đoạn và số đơn nguyên bể
Theo bảng số liệu, khâu mạ có NTT lớn nhất và cũng là khâu có tốc độ ra hàng chậm nhất Do đó, tốc độ ra hàng của dây chuyền được xác định bởi tốc độ ra hàng của khâu mạ kẽm-nikel.
Nhịp độ ra hàng thực tế là:
2.3.5.5 Số dây chuyền tự động;
Số dây chuyền tự động được tính theo công thức:
2.3.5.6 Năng suất mỗi giờ của dây chuyền tự động
Công thức tính năng suất của dây chuyền:
Q là năng suất của dây chuyền, m 2 /h; y là phụ tải, y = 1,6 m 2 ;
Nt là nhịp ra hàng thực tế của dây chuyền, Ntt = 8 phút
2.3.5.7 Hệ số tận dụng của thiết bị
Hệ số tận dụng của thiết bị được tính theo công thức :
Trong đó : m : Số dây chuyền tự động tính được, m = 0,948 mt : Số dây chuyền tự động đã quy tròn, mt = 1
Hệ số sử dụng thiết bị tự động >0,85 do vậy đạt yêu cầu
Mỗi bể treo một khung mạ (1 cầu catot)
2.3.6.1 Chiều dài trong của bể
LT : Chiều dài trong của bể, mm ; n1 : Số khung (số đơn vị tải) trên một cầu treo, chiếc ;
L1 : Kích thước khung treo theo chiều dài bể, mm ;
L2 : Kích thước giữa các khung, mm ;
L3 : Khoảng cách giữa thành bể và cạnh khung, mm
Ta có tương ứng các giá trị như sau : n1 = 1 ; L1 = 900 mm ; L2 = 0 ;
2.3.6.2 Chiều rộng trong của bể
Chiều rộng trong của bể được tính theo công thức (2.7) – [4]:
WT : Chiều rộng trong của bể, mm
W1 : Kích thước lớn nhất của vật mạ tại điểm gần nhất, mm
W2 : Khoảng cách giữa anot và vật mạ tại điểm gần nhất, mm
W3 : Khoảng cách giữa thành bể và anot , mm n2 : Số cầu catot , chiếc n3 : Số cầu anot , chiếc d : Chiều dày anot , mm
- Với các bể không dùng dòng điện (không có anot)
Bể một đơn nguyên bể
WT1 = 1.100 + 2.150 = 400 mm Để dễ gia công và vận hành bể ta chọn theo quy chuẩn STMĐ WT1 = 800 mm
Bể rửa, bể tẩy nhẹ và bể trung hòa Mỗi ngăn bể có Wt = 800 mm, chiều dày vách ngăn có thể bỏ qua
Bể rửa 1 ngăn có WT = 800 , mm
Bể rửa chảy tràn 2 ngăn có WT = 800x2 = 1600 , mm
- Với các bể dùng dòng điện
Chọn W2 = 150 mm, W3 = 50 mm, chiều dày anot d = 20 mm
WT2 = 100 + 2.150 + 2.50 + 2.20 = 540 mm Để dễ dàng thi công và vận hành bể ta chọn theo quy chuẩn STMĐ WT2 800 mm
Bể mạ kẽm-nikel (2 bể đơn nguyên):
Chọn W2 = 150 mm, W3 = 50 mm, chiều dày anot d = 20 mm
WT3 = 2.100 + 2.2.150 + 2.50 +3.20 = 960 mm Để dễ dàng thi công và vận hành ta chọn theo quy chuẩn STMĐ WT3 1600 mm
2.3.6.3 Chiều cao trong của bể
Chiều cao bể tính theo công thức (2.8) – [4]:
HT: Chiều cao bên trong của bể, mm
H1: Chiều cao khung chưa kể móc treo, mm
H2: Khoảng cách từ đáy bể đến cạnh dưới của khung, mm
H3: Chiều cao chất điện giải từ cạnh trên của khung trở lên
H4: Khoảng cách từ mặt thoáng dung dịch đến miệng bể mm
Quy chuẩn chiều cao bể HT = 1800 mm
Thể tích của bể được tính theo công thức sau:
V là thể tích của bể , l
LT là chiều dài bể , l
WT là chiều rộng bể , l
HT là chiều cao bể , l
Bảng 2.6 Thể tích các bể mạ
Số đơn nguyên bể, ni
Kích thước trong (LxHxW), mm Thể tích bể, l
Thời gian sấy là 10 phút, chọn tủ sấy có kích thước bằng 5 đơn nguyên bể:
2000 x 6000 x 4000 Năng suất hàng mạ tính theo đơn vị kg/h là:
P: Năng suất trong một giờ của dây chuyền mạ, kg/h
Pn: Là năng suất trong cả năm,
T: Là quỹ thời gian thực tế, T = 4606 h
Chọn loại máy sấy bằng điện với các thông số kỹ thuật:
+ Công suất máy sấy: 50 kg/h
+ Công suất mỗi bộ đun: 8kW
+ Tổng công suất tủ sấy: 48 kW
+ Thời gian đun nóng tủ sấy lúc đầu: 10 phút
+ Kích thước tủ: 2000 x 6000 x 4000 mm Để dễ dàng vận chuyển và lắp đặt ta có thể mua các bể với các kích thước dưới bảng 7
Bảng 2.7 Kích thước bể khi lắp đặt
STT Kích thước (dài x rộng x cao) Số lượng
Bể xi mạ là thiết bị chứa hóa chất quan trọng trong quy trình mạ, yêu cầu khả năng chịu đựng nồng độ axit và kiềm cao, cũng như nhiệt độ và áp lực lớn Vì vậy, vật liệu nhựa PP được lựa chọn để chế tạo bể, đảm bảo độ bền và an toàn trong suốt quá trình sử dụng.
Sơ đồ dây chuyền tự động
Dây chuyền có 25 bể bố trí theo kiểu I, 25 bể nối tiếp
Trong đó có 23 bể có kích thước là:
Chiều rộng là 800 mm Chiều dài là 1100 mm Chiều cao là 1800 mm
Và có 2 bể có kích thước là:
Chiều rộng là 1600 mm Chiều dài là 1100 mm Chiều cao là 1800 mm Khoảng cách giữa các bể là 200 mm
Kích thước dây chuyền (kiểu giá trượt)
Chiều dài dây chuyền được tính:
Chiều rộng dây chuyền được tính:
- Chiều cao của dây chuyền phụ thuộc vào chiều sâu của bể
Với bể sâu 1,8 m; chọn chiều cao dây chuyền là 4,0 m
- Diện tích dây chuyền sản xuất:
Tính toán nguồn điện
Để cung cấp nguồn điện một chiều cho các bể mạ và bể điện phân, hiện nay thường sử dụng bộ chỉnh lưu bán dẫn thay vì máy phát Trong đồ án này, chúng ta sẽ sử dụng chỉnh lưu làm mát bằng dầu Khi chọn nguồn điện một chiều, cần xem xét các yếu tố như cường độ dòng điện I và điện thế bể U Mỗi bể nên được trang bị một chỉnh lưu riêng, và nếu dòng điện yêu cầu vượt quá công suất của chỉnh lưu, có thể lựa chọn nguồn lớn hơn hoặc kết nối hai hoặc ba bộ chỉnh lưu để cung cấp điện cho bể.
Cường độ dòng điện vào bể
Cường độ dòng điện vào bể được tính toán theo công thức sau (2.24) – [4]:
I: Là cường độ dòng điện vào bể, A
Dc: Là mật độ dòng điện, A/dm 2 y: Là đơn vị tải, phụ tải, dm 2 y = 1,6 m 2 = 160 dm 2
Nhưng khi tiến hành chọn nguồn điện thực tế phải nâng dòng điện thêm 15- 20%, thành IT để chọn chỉnh lưu:
Hiệu điện thế của bể
Chọn điện thế nguồn Un trước hết phải tính điện thế bể Ub:
Điện thế trên bể mạ điện phụ thuộc vào thành phần dung dịch, chế độ làm việc, khoảng cách giữa các điện cực và bản chất của điện cực Hầu hết các quá trình mạ điện chỉ cần điện thế danh nghĩa từ 9V đến 12V.
Công thức xác định điện thế bể như sau (2.25) – [4]:
Trong đó: β: Là hệ số xét tới các tổn thất điện thế tại chỗ tiếp xúc và trên các dây dẫn loại I
Ea và Ec là điện thế tại anot và catot, đo bằng đơn vị V Hệ số α phản ánh tổn thất điện thế trong dung dịch do độ dày của bọt Cường độ dòng điện I được tính toán theo công thức đã nêu, đo bằng đơn vị A.
R: Là điện trở của dung dịch, Ω Tính theo công thức sau:
ℓ: Là khoảng cách giữa các điện cực, cm χ: Là độ dẫn điện riêng của dung dịch, 1/Ω.cm y: Là phụ tải của bể, dm 2
Khi tính Ub nếu Dc ≠ Da thì I phải được tính theo công thức sau (2.26) – [4]:
Mật độ dòng thể tích
Dòng điện đi qua dung dịch điện giải gây ra hiện tượng tăng nhiệt độ (hiệu ứng Jun), do đó, khi thiết kế dây chuyền mạ kẽm, cần xác định rõ mật độ dòng thể tích với công thức iv = I/Vdd, A/l.
Vdd là thể tích dung dịch trong bể, Vdd = 3432, l
I là cường độ dòng điện vào bể, A
Tính toán chọn dòng điện một chiều
Từ các công thức trên có thể tính được điện thế bể, các thông số sẽ được tổng hợp ở bảng 8 dưới đây
Bảng 2.8 Sốliệu tính toán thiết kế
Các thông số dòng điện được tổng hợp ở bảng dưới đây :
Bảng 2.9 Bảng số liệu tính toán nguồn điện
Iv theo quy định cho phép
Từ các kết quả ở bảng 2.8 và bảng 2.9 trên, ta chọn chỉnh lưu làm lạnh bằng nước làm nguồn một chiều
Chọn thông số cho chỉnh lưu
Bảng 2.10 Thông số chỉnh lưu silic
Bể Ub (V) I (A) Kiểu máy Loại chỉnh lưu
Tẩy dầu điện hóa 1,55 570 CSĐ-630-12 630A – 6V 73
Sơ đồ đấu nguồn điện trong xưởng mạ cần phải đơn giản và dễ dàng điều chỉnh dòng điện cũng như điện thế Mỗi bể điện sẽ được kết nối với một nguồn điện riêng, và dòng điện cung cấp cho tải sẽ được điều chỉnh thông qua điện thế đầu ra.
Tính toán điện năng dùng để đun nóng và làm mát
Hệ thống dây chuyền mạ sử dụng can gia nhiệt để đun nóng dung dịch trong bể, mang lại sự đơn giản trong việc sử dụng, thay thế và sửa chữa Mặc dù chi phí đầu tư cao hơn, nhưng phương pháp này vẫn được ưa chuộng nhờ vào tính hiệu quả và dễ dàng vận hành.
Nhiệt lượng để đun nóng dung dịch
Nhiệt lượng để đun nóng dung dịch lên tới nhiệt độ làm việc là Qđ (một lần đun), được tính toán theo công thức sau [4]:
1,125 là tỷ trọng của dung dịch (gần đúng với mọi loại dung dịch), kg/l;
V: Thể tích của dung dịch (của một hoặc tất cả các bể cần đun nóng giống nhau), l; Δt: Là hiệu số giữa nhiệt độ làm việc và nhiệt độ ban đầu, 0 K;
C: Là nhiệt dung của dung dịch, J/kg 0 K Đối với hầu hết các dung dịch có C = 4150 J/kg 0 K Riêng mạ Cu có C = 4483 J/kg o K; q: Là tổn thất nhiệt qua thành bể, qua mặt thoáng của dung dịch và theo vật gia công (j)
Các bể đều không có lớp cách nhiệt với môi trường bên ngoài Do đó, q = 30%
Nhiệt lượng để giữ cho bể làm việc ổn định Để tiện tính toán ta tính (Qg) cho một giờ làm việc:
Qg là nhiệt lượng duy trì trong suốt quá trình làm việc trong một giờ, trong khi q là nhiệt lượng tổn thất ra ngoài qua thành thiết bị, mặt thoáng của dung dịch và do vật mạ mang đi, tính bằng J/h Ngoài ra, qj là nhiệt lượng sinh ra do dòng điện đi qua dung dịch, cũng được tính bằng J/h.
Bảng 2.11 Các thông số để tính toán nhiệt cấp cho các bể
Ghi chú: tbd: Là nhiệt độ ban đầu của dung dịch, giá trị này biến động theo nhiệt độ của môi trường ở các mùa khác nhau: từ 10 ÷ 35 0 C, chọn tbd
= 25 0 C hay tbd = 298 0 K tdd: Là nhiệt độ của dung dịch đã được đun nóng hay nhiệt độ làm việc của bể
Vdd: Là thể tích dung dịch hay khối chất lỏng cần cung cấp nhiệt C: Là nhiệt dung riêng của dung dịch
Tđ: Là thời gian đun nóng (ấn định là 1 h)
Tính lượng nhiệt sinh ra trong quá trình mạ q j
Nhiệt lượng này chỉ sinh ra tại các bể có dòng điện chạy qua, xác định theo công thức sau đây: qj = I.Ub.t , J/h [4]
I: là cường độ dòng điện vào bể, A
Ub: là điện thể bể, V t: là thời gian gia công trong một giờ, s/h
Còn đối với các bể khác không có dòng điện chạy qua thì qj = 0
Nhịp ra hàng của dây truyền sản xuất là:
Vật số mẻ hoàn thành trong 1h là: n = 60/8 = 7,5 mẻ
Nên thời gian điện phân trong 1h của mỗi đơn nguyên bể tính như sau: t = 7,5.Ti/no, s/h
Ti – Thời gian mạ hay gia công 1 mẻ no – Số bể đơn nguyên
Bảng 2.12 Nhiệt sinh ra do dòng điện chạy qua bể
Thời gian gia công, s t, s/h Ub, V I, A qj, kJ
Mạ kẽm-nikel yêu cầu điều kiện nhiệt độ cụ thể, với khoảng nhiệt độ từ 10 đến 35 oC, và nhiệt độ tối ưu là 28 oC Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình mạ có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng lớp mạ Chẳng hạn, khi nhiệt độ môi trường đạt 35 oC, kết hợp với nhiệt lượng từ quá trình mạ, nhiệt độ có thể vượt quá 40 oC, dẫn đến lỗi trong mạ Do đó, việc trang bị thiết bị làm mát cho bể mạ kẽm là cần thiết để đảm bảo chất lượng.
Tính tổn thất nhiệt q là nhiệt lượng cần bổ sung trong quá trình làm việc để bù đắp cho lượng nhiệt mất qua thành thiết bị, mặt thoáng dung dịch và do vật mang đi Đối với bể không có bảo ôn, công thức tính tổn thất nhiệt được xác định là q = 0,3.Qđ, kJ.
Từ Qđ = 1,125.V Δt.C + q , kJ, ta suy ra được:
Kết quả tính toán nhiệt năng do đun nóng, nhiệt sinh ra trong quá trình mạ, nhiệt giữ ổn định khi làm việc tổng hợp ở bảng 2.13
Bảng 2.13 Tính toán thông số nhiệt năng tổn thất, nhiệt đun nóng bể và nhiệt giữ ổn định khi làm việc
Nhiệt lượng tiêu tốn trong 1 năm Q
Do xưởng làm việc 2 ca/ngày nên ta có:
Q = T.(Qđ + tg.Qg)/(tđ + tg), (J) [4]
Trong đó: tg: Là số giờ giữ nhiệt trong một ngày (không kể thời gian đun nóng) tg = 16 giờ tg: Là thời gian đun nóng bể, chọn tđ = 1h
Một tuần mất 6h đun nóng bể, vậy một năm cần đun thời gian: 52.6 = 312 (h)
T là thời gian sản xuất, T = 4606 h
Từ đó ta có bảng tính toán sau:
Bảng 2.14 Nhiệt lượng tiêu tốn trong năm Q
Bể T (h) tđ (h) tg (h) Qđ Qg Q
Tẩy dầu điện hóa 4606 1 16 55,95.10 7 16,78.10 7 8,79.10 11 Rửa nóng 4606 1 16 27,97.10 7 8,39.10 7 4,39.10 11 Điện năng tiêu tốn trong 1 năm sẽ là:
W = Q/1000.3600, kWh Công suất N của can gia nhiệt:
Số lượng can gia nhiệt: ncan = N/Nc
N: Là công suất can gia nhiệt tính theo lý thuyết
Nc: Là công suất can gia nhiệt thực tế Chọn can gia nhiệt có công suất 25 kW và 50 kW
Bảng 2.15 Tổng hợp các thông số của bộ đun nóng
Bể Q (J) Qđ (J) W (kWh) tđ (h) N (kW) Nc (kW) n
(cái) Tẩy dầu 15,8.10 11 100,71.10 7 438888,88 1 279,75 50 6 hóa học
Vậy điện năng để đun nóng dung dịch trong 1 năm là:
W2 = 438888,88 + 244166,66 + 121944,44 = 804999,98 (kWh) Mỗi can gia nhiệt có kích thước như sau:
Dài 800 mm Đường kính = 100 mm
Làm bằng vật liệu thép không gỉ.
Các thiết bị phụ trợ
Bể Đồng bộ tất cả các bể có kích thước 1100x1800x800 mm
Bể dầu nóng và bể mạ có kích thước 1100x1800x1600 mm
Bơm và thiết bị lọc
Thiết bị bơm lọc là yếu tố thiết yếu trong một xưởng mạ, giúp duy trì hiệu quả của quy trình Có nhiều loại bơm với hình dạng và kiểu dáng khác nhau, tuy nhiên, vật liệu chế tạo bơm cần phải bền bỉ và chống ăn mòn khi tiếp xúc với các dung dịch trong xưởng mạ, thường được làm từ chất dẻo như PP hoặc FA.
PA, PVDF …), thép không gỉ, hợp kim hastelloy… Năng suất bơm có các loại
50 lít/ph, 120 lít/ph, 500 lít/ph…
Máy lọc túi là thiết bị đơn giản, sử dụng túi lọc làm từ vải visco hoặc polypropylene với kích thước lỗ lọc từ 5-100 µm Túi lọc được lắp đặt trong thân máy dạng ống trụ, được chế tạo từ thép không gỉ hoặc polypropylene Lưu lượng lọc của máy dao động từ 5 đến 35 m³/h, tùy thuộc vào kích cỡ của thiết bị.
Các bể cần dùng bơm là: Bể mạ, bể hòa tan
Mỗi bể mạ đều cần một bơm hóa chất và một máy lọc Thông số kỹ thuật của bơm và máy lọc được xác định dựa trên tính chất và khối lượng dung dịch cần vận chuyển.
Bơm định lượng là thiết bị chuyên dụng để bơm các chất ăn mòn như axit và hóa chất độc hại Với tính chất ăn mòn cao của các loại hóa chất này, việc sử dụng các máy bơm thông thường không hiệu quả Do đó, bơm định lượng được sản xuất đặc biệt để đảm bảo an toàn và hiệu suất trong việc xử lý các chất này.
Sục khí nén trong dây chuyền sản xuất chủ yếu được áp dụng cho các quy trình rửa, tẩy sáng và hoạt hóa Quá trình này bắt đầu bằng việc lọc và làm sạch không khí, sau đó đưa vào máy nén khí để dẫn vào các bể chứa Các ống dẫn khí được thiết kế với lỗ nhỏ, đặt sát đáy bể dưới catot, giúp tăng tốc độ tuần hoàn dung dịch và nâng cao hiệu quả làm sạch Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp với một số dung dịch có khả năng tạo bọt hoặc sử dụng chất tạo bọt để chống bay hơi.
Các bể sử dụng sục khí bao gồm bể rửa nước, bể hoạt hóa kiềm và bể tẩy sáng Để khuấy 1 lít dung dịch, bể tiêu tốn khí nén với lưu lượng nước rửa là 1,5 lít/phút.
Phân luồng khí thải và chọn quạt
Xưởng mạ điện là một môi trường sản xuất chứa nhiều khí độc hại phát sinh từ các bể hoạt hóa và bể mạ Để đảm bảo điều kiện làm việc an toàn, cần lắp đặt hệ thống quạt thông gió hai chiều (hút – đẩy) Ngoài ra, các bể cũng cần được trang bị miệng hút cục bộ để loại bỏ các chất độc hại từ bề mặt dung dịch trong quá trình gia công hóa học hoặc điện hóa Miệng hút nên được bố trí dọc theo chiều dài bể, với mỗi bể có thể có hai miệng hút đặt ở hai bên, có khe cố định.
Dưới đây là bảng đặc tính khí và hơi độc ứng với mỗi bể
Bảng 2.16 Đặc tính khí độc trong phân xưởng
Bể cần hút khí độc Dung dịch Đặc điểm của hơi độc hại
Tẩy dầu nóng NaOH, Na3PO4, Na2SiO3,
Hơi kiềm và hơi nước (do nhiệt độ cao, dung dịch dễ bay hơi)
Tẩy dầu điện hóa NaOH, Na3PO4, Na2SiO3,
Tẩy gỉ hóa học HCl Hơi axit
Hoạt hóa HNO3, H2SO4 Hơi axit
Trung hòa NaOH Hơi kiềm
Mạ kẽm-nikel Zn 2+ , Ni 2+ , NaOH Hơi kiềm, hơi muối Zn 2+
Tẩy sáng HNO3` Hơi axit mạnh và hơi nước
Cromat hóa Cr 3+ , HNO3`, H2SO4 Hơi axit và crom
Thể tích không khí L cần hút khỏi bề mặt thoáng của bể được tính theo công thức:
Lo – Thể tích riêng phần không khí cần hút khỏi bể, m 3 /h
Lo = 1400.[H4 + 0,53.Wt/(Wt + Lt)].0,66.Wt, m 3 /h Trong đó:
H 4 : khoảng cách từ mặt thoáng của dung dịch đến miệng bể, m
W T : chiều rộng trong của bể, m
L T : chiều dài trong của bể, m
KΔt – hệ số xét đến sự chênh lệch giữa dung dịch và phòng làm việc
Kđ – hệ số xét đến độ độc hại và cường độ bốc hơi của chất độc hại
K1 – hệ số xét đến cách thức hút
K1 = 1,0 đối với hút hai bên miệng bể, không thổi
K2 = 1,2 hệ số xét đến ảnh hưởng của khuấy dung dịch bằng khí nén, sôi sủi bọt
K3 = 0,75 hệ số xét đến tác dụng che phủ của các vật nổi trên mặt thoáng
K4 = 0,5 hệ số xét đến tác dụng che phủ của lớp bọt nổi trên mặt thoáng
Bảng 2.17 Bảng thể tích riêng phần không khí cần hút L o trong các bể
Số thứ tự Bể cần hút khí độc H4 (m) Wt (m) Lt (m) Lo (m 3 /h)
Các chỉ số khác sẽ được liệt kê ở dưới đây:
Bảng 2.18 Hệ số KΔt do chênh lệch nhiệt độ giữa dung dịch và không khí trong phòng
STT Bể cần hút khí độc Hiệu số nhiệt độ không khí và dung dịch ( o C)
Bảng 2.19 Hệ số độc hại K đ đối với khe hút đóng mở, chuyển đảo ngược
STT Bể cần hút khí độc Kđ
Bảng 2.20 Bảng số liệu tổng hợp
STT Bể cần hút khí độc
Khí sau khi được hút sẽ được hấp thụ vào nước trước khi thải ra ngoài Nước đã hấp thụ khí sẽ được đưa vào bể xử lý nước thải để tiến hành xử lý.
Phân luồng khí thải thành 5 luồng là cần thiết để thuận tiện cho việc thi công lắp đặt và đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về điều kiện khí thải trong tương lai Việc chọn quạt phù hợp cũng rất quan trọng trong quá trình này.
- Luồng 1: Từ bể tẩy dầu nóng và tẩy dầu điện
- Luồng 2: Từ bể tẩy gỉ
- Luồng 3: Từ bể trung hòa điện và bể mạ kẽm-nikel
- Luồng 4: Từ bể tẩy sáng
- Luồng 5: Từ bể thụ động trắng, đen
Với các luồng như vậy, ta sẽ chọn quạt và kích thước đường ống quạt hút là như nhau để thuận tiện cho việc thiết kế và thi công
Khi ghép các ống hút khí từ các thiết bị riêng lẻ thành hệ thống thông gió cần tuân thủ một số nguyên tắc như:
- Ống hút từ các bể chứa dung môi hữu cơ ghép riêng thành một hệ thống ống dẫn với quạt hút dùng loại chống cháy nổ, áp suất thấp
Ống hút từ các bể tẩy gỉ hoặc bể có tính axit có thể được kết hợp thành một hệ thống thông gió hiệu quả Hệ thống này cần sử dụng quạt và ống chống ăn mòn, đồng thời quạt hút nên có áp suất thấp để đảm bảo hoạt động ổn định.
- Ống dẫn khí làm bằng thép 1,5 mm sơn phủ bề mặt để chống ăn mòn
Các luồng khí thải đều có thể tích không vượt quá 550 m 3 /h nên ta chọn quạt hút với các thông số như sau:
- Áp suất toàn phần 17,6 Pa
Thông gió trong nhà xưởng
Trong xưởng mạ, việc phát sinh nhiều hơi và khí độc hại không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn gây hư hại cho máy móc thiết bị Do đó, việc trang bị hệ thống thông gió hiệu quả là điều cần thiết để đảm bảo vệ sinh công nghiệp trong môi trường làm việc.
Phương án thông gió cho nhà xưởng được sử dụng thông gió cưỡng bức sử dụng quạt công nghiệp dạng vuông:
- Phương pháp này sử dụng quạt vuông có lưu lượng lớn đặt trên tường xây hoặc vách tôn có giá đỡ để hút khí nóng ra ngoài
Sử dụng quạt để cung cấp khí tươi vào nhà xưởng, đồng thời lắp đặt cửa gió có lưới lọc bụi hoặc tấm lọc công nghệ nhằm kiểm soát dòng khí từ bên ngoài.
Khi quạt hút gió hoạt động, nó tạo ra sự chênh lệch áp suất trong xưởng, khiến gió tươi từ bên ngoài tự động tràn vào Điều này giúp thay thế lượng khí mà quạt hút ra, tạo thành dòng đối lưu và thông thoáng cho không gian trong nhà xưởng.
Hình 2.4 Quạt thông gió trong xưởng mạ
Tiêu tốn điện năng
- Điện năng tiêu thụ cho các nguồn điện một chiều Điện năng tiêu thụ cho các nguồn điện một chiều trong một năm được tính theo công thức:
Pcl – công suất chỉnh lưu (kW)
K – hệ số sử dụng thiết bị (%)
K = m = 0,9 n – số quạt có cùng công suất
T – thời gian làm việc 1 năm của thiết bị (h) T= 4808 h/năm ɳ - hệ số hữu ích của quạt (%)
Vậy điện năng tiêu thụ cho nguồn điện một chiều trong một năm là:
- Điện năng tiêu thụ để chạy quạt thông gió trong một năm:
Trong đó: n: Là số quạt có cùng công suất
Pq: Là công suất của quạt η: Là hệ số hữu ích của quạt %
T: Là thời gian làm việc cửa thiết bị, T = 4808 h/năm
- Điện năng chiếu sáng trong một năm:
S: Là diện tích cần chiếu sáng, S = 500 m 2
0,015 – Là định mức công suất chiếu sáng, k W/m2
T: Là thời gian làm việc thực tế
K: Hệ số giữa tỷ số giữa thời gian chiếu sáng và thời gian thực tế sản xuất, chọn K = 1 tức thời gian chiếu sáng trong năm bằng thời gian sản xuất thực tế
- Điện năng tiêu thụ các thiết bị khác
Bảng 2.21 Tiêu thụ điện năng cho xưởng mạ
Khâu tiêu thụ điện năng kWh
Cho nguồn điện một chiều 20154,08
Chiếu sáng 34545,0 Đun nóng các bể 804999,98
Tổng điện năng tiêu thụ trong một năm
Tính tiêu tốn nước
Nước đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp mạ, chủ yếu được sử dụng để rửa sản phẩm mạ, với tỷ lệ tiêu thụ khoảng 2 m³ nước cho mỗi 1 m² sản phẩm Lượng nước dùng để pha chế dung dịch chỉ chiếm một phần nhỏ trong tổng lượng nước tiêu thụ của xưởng và không được sử dụng thường xuyên Sau khi rửa, nước sẽ được dẫn vào bể xử lý trước khi thải ra môi trường Do đó, việc rửa cần phải được thực hiện sao cho loại bỏ triệt để dung dịch bám trên bề mặt với lượng nước tối thiểu.
Nước rửa trong dây chuyền mạ được sử dụng từ nước RO, được lấy từ nguồn cấp và qua hệ thống lọc RO trước khi đưa vào bể chứa Phương pháp rửa áp dụng cho dây chuyền là rửa chảy tràn kết hợp với sục khí.
Mức tiêu thụ nước Q (lít/giờ) cho bất kì một cách nào cũng được xác định theo công thức [4]:
Q: Là lượng nước rửa, lít/giờ q: Là lượng dung dịch bám theo một đơn vị diện tích hàng mạ, n: Là số bể (lần) rửa
F: Là diện tích bề mặt rửa trong một giờ trong 1 bể, m 2 /giờ Mỗi 1h thì có 7 mẻ mạ nên F = 1,6.7 = 11,2 (m 3 )
K: Tiêu chuẩn độ sạch sau khi rửa, đánh giá bằng số lần giảm nồng độ của cấu tử chính của dung dịch bám theo hàng mạ sau khi rửa
Với: Co là nồng độ cấu tử chính trong dung dịch bám theo hàng mạ trước khi mạ, g/lít
Cgh là nồng độ giới hạn cho phép của cấu tử chính trong nước sau khi rửa, g/lít
Lượng dung dịch bám theo bề mặt gia công có thể chọn theo bảng dưới đây:
Bảng 2.22 Lượng dung dịch bám theo bề mặt gia công, lít/m 2
Dung dịch dễ tuột khỏi bề mặt không?
Từ dung dịch xâm thực ra
Chọn q = 0,2 với vật mạ treo chờ ráo 5s
Trước khi rửa, nếu vật mạ được xử lý qua một bể thu hồi, lượng nước cần dùng sẽ giảm, với hệ số K1 là 0,4 Nếu qua hai bể thu hồi, hệ số K1 sẽ giảm xuống còn 0,15.
Bảng 2.23 Nồng độ giới hạn của các hóa chất trong nước
Bể gia công vật trước khi rửa
Tên bể rửa Bể gia công sau khi rửa
Cấu tử chính cần loại bỏ
Nồng độ giới hạn cho phép
Tẩy dầu nóng Rửa nước 1 Tẩy dầu điện Bụi bẩn, chất hữu cơ 0,8
Tẩy dầu điện Rửa nước 2,3 Tẩy gỉ
Mùn bề mặt, lớp dầu hữu cơ
Tẩy gỉ Rửa nước 4,5 Hoạt hóa Axit, lớp gỉ bề mặt 0,1
Hoạt hóa Rửa nước 6 Mạ kẽm treo Kiềm 0,01
Thu hồi dung dịch mạ Rửa nước 7,8 Tẩy sáng Kiềm, phụ gia, phức kẽm 0,1
Tẩy trắng Rửa nước 9 Thụ động Axit 0,1
Thu hồi thụ động Rửa nước 2 bể Rửa nước nóng Axit 0,01
Rửa nước nóng Sấy Nước 0,0001
Bảng 2.24 Lượng nước tiêu thụ của dây chuyền
Rửa thu Tẩy sáng 0,2 120 0,1 1200 0,4 2 11,2 49,08 mạ q n √𝐾 1 K.
Rửa thu hồi thụ động
Từ bảng trên có thể kết luận:
Lượng nước tiêu thụ trong một giờ là 418,39 (l) = 0,41839 m 3
Lượng nước tiêu thụ trong một ngày là 6,69 m 3
Tiêu hao hóa chất
Tiêu hao hóa chất trong 1 năm
Xưởng mạ sử dụng một lượng khá lớn các loại hóa chất, kim loại anot, các loại vật liệu khác
Tiêu hao hóa chất để hoàn thành kế hoạch sản xuất trong một năm bao gồm:
- Tiêu hao để hình thành chính lớp mạ
- Tiêu hao do mất dung dịch do vật mạ vớt ra
- Tiêu hao do dung dịch cuốn theo khí hút thông gió
- Tiêu hao do lọc, điều chỉnh, thay thế, chuyển đổi,… dung dịch
- Tiêu hao do chất bị phân hủy
Tiêu hao hóa chất cho mỗi mét vuông lớp mạ điện không phụ thuộc vào độ dày của lớp mạ, mà chủ yếu phụ thuộc vào độ phức tạp hình dạng của vật mạ Để xác định tiêu hao của một cấu tử x, có thể sử dụng công thức cụ thể.
K: Là hệ số do kiểu thiết bị quy định, mạ treo trong dây chuyền tự động K = 0,8
A: Là tổn thất dung dịch theo vật mạ vớt ra, l/m 2
B: Là tổn thất dung dịch theo không khí hút, l/m 2
C: Là tổn thất do lọc, chuyển đổi, hiệu chỉnh, l/m 2 c: Là nồng độ của cấu tử đó có trong dung dịch mạ, g/l Độ phức tạp về hình dạng của vật mạ chia thành ba nhóm như sau:
I Vật mạ phẳng, hình ống ngắn, không có ren
II Vật mạ có nối ghép, kẹp dính, đột dập nhiều lồi lõm chứa đọng dung dịch
III Vật có khe rãnh sâu, đọng nhiều nhiều dung dịch, vật có phần khó rửa tới
Với sản phẩm ở đồ án này thuộc loại I ta có bảng sau:
Bảng 2.25 Định mức tổn thất dung dịch
Lượng hóa chất tiêu hao trong 1 năm để hoàn thành kế hạch được tính theo công thức:
Trong đó: Pn – Kế hoạch sản xuất năm, m 2
Với đồ án này, Pn = 50904 m 2 /năm
Vậy ta có bảng tiêu hao hóa chất như sau:
Bảng 2.26 Tiêu hao hóa chất trong một năm
STT Bước quy trình Cấu tử Nồng độ
3 Tẩy gỉ hóa HCl 150 15 763,56 urotropin 40 4 203,62
Lượng hóa chất tiêu tốn lúc đầu để pha dung dịch
Lượng hóa chất để pha mới dung dịch (Hm) được tính theo công thức sau [4]:
Hm = c.V.K/1000 , kg Trong đó: c – Nồng độ cấu tử x trong dung dịch, g/l
Bảng 2.27 Lượng hóa chất tiêu tốn ban đầu cho pha chế dung dịch
3 Tẩy gỉ hóa HCl 150 1716 235,26 urotropin 40 62,74
Từ bảng 2.26 và 2.27 ta có số liệu tiêu hao hóa chất trong năm như sau:
Bảng 2.28 Tổng hợp tiêu hao hóa chất trong năm
Cấu tử Tổng tiêu tốn hóa chất (kg)
Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình mạ, cần chọn anot có chiều dài bằng với chiều dài của vật trong bể mạ Số lượng anot cũng phải đủ lớn để tránh hiện tượng thụ động do mật độ dòng điện quá cao Hơn nữa, việc bố trí anot trong bể mạ cần được thực hiện sao cho dòng điện phân bổ đều trong dung dịch, giúp lớp mạ dày đều ở mọi phía của vật.
Anot dùng trong mạ kẽm là loại anot làm bằng thép không gỉ dày 10mm
Nó không bị ăn mòn trong quá trình mạ, chỉ cần kiểm tra định kỳ và thay thế anot khi cần thiết Để duy trì nồng độ kẽm ổn định trong bể hòa tan, cần bổ sung Zn 2+ và cho chạy qua lọc, sau đó bơm nạp đều vào quá trình mạ.
Tính toán kinh tế
Số tiền đầu tư ban đầu
Bể được làm bằng vật liệu nhựa pp dày 10mm, đáy dày 20mm
Giá thành cho loại bể này với thể tích 1m3 là khoảng 8 triệu đồng
Vậy tổng số tiền cần chi trả cho làm bể là: 50,77x8 = 406,16 triệu đồng
Bảng 2.29 Giá thành hóa chất tiêu tốn ban đầu
Bước quy trình Cấu tử Hm, Kg
Tổng chi phí cho hóa chất ban đầu 204.708.000 đồng
- Giá thành chi phí cho thanh treo anot và thanh treo catot, dây dẫn điện trong xưởng
Các thanh treo đều được làm bằng đồng Đồ gá: 30 (cả số lượng dự trữ) 600.000 đồng/gá
Thanh treo anot: 2kg/thanh, tổng 15 thanh tính cho các bể sử dụng anot Giá thành 80.000 đồng/kg
Tổng chi phí cho thanh treo trong xưởng là: 2x15x80.000 = 2.400.000 đồng
- Chi phí cho thiết bị phụ trợ
Bảng 2.30 Bảng thông số tủ sấy
Công suất mỗi bộ đun 2 kw
Bảng 2.31 Thông số kỹ thuật của bơm
Giá bơm 7.500.000 đồng, 6 bơm => 45.000.000 đồng
Bảng 2.32 Thông số kỹ thuật của máy lọc
Chất liệu Nhựa PP Đường kính lõi lọc 20 inch, 8 lõi
Giá 1 máy lọc: 17.000.000 đồng => 6 máy => 102.000.000 đồng
Tổng chi phí cho thiết bị bơm lọc, lọc dung dịch là: 147.000.000 đồng Đường ống dẫn dung dịch: 30.000.000 đồng
Tổng chi phí cho thiết bị bơm, lọc và đường ống dẫn dung dịch là: 177.000.000 đồng
Giá thành một máy nén khí công nghiệp: 24.000.000 đồng
+ Quạt hút khí trên bề mặt các bể có khí độc thoát ra:
Chi phí cho quạt hút khí là: 95.000.000 đồng Đường ống dẫn khí: 30.000.000 đồng
Tổng chi phí cho quạt hút và đường ống dẫn khí là: 125.000.000 đồng + Quạt thông gió:
Chi phí cho quạt thông gió là 750.000 đồng/quạt, 10 quạt => 7.500.000 đồng
Đèn chiếu sáng LED có nhiều lựa chọn với quang thông và công suất khác nhau Đèn LED công suất 100 W, quang thông 9000 lumen, sử dụng 16 đèn và có giá 2.100.000 đồng/đèn Ngoài ra, đèn LED panel 40 W, 220V với quang thông 3600 lumen, sử dụng 20 đèn và có giá 1.100.000 đồng/đèn.
Tổng chi phí cho đèn là: 16x2.100.000 + 20x1.100.000 = 55.600.000 đồng + Cầu trục:
Cầu trục 1 dây chuyền mạ tự động + đường ray chữ I giá 150.000.000 đồng
Tổng số tiền đầu tư ban đầu là: 619.100.000 đồng
- Chi phí xây dựng nhà xưởng
Kích thước mặt nền 66 x 30 = 1980 m2, chiều cao 6m Nhà máy được xây dựng bằng thép, có tường bê tông
Giá xây dựng 1m 2 (cả tiền nhân công) là: 3.000.000 đồng
Vậy tổng chi phí xây dựng xưởng là: 2.940.000.000 đồng
- Chi phí xây dựng hệ thống xử lý nước thải và khí thải:
Chi phí xây dựng hệ thống xử lý nước thải và khí thải: 800.000.000 đồng Như vậy ta có bảng tổng hợp vốn đầu tư như sau:
Chi phí làm bể 406.160.000 đồng
Chi phí hóa chất ban đầu 204.708.000 đồng
Chi phí anot, catot, dây dẫn, đồ gá 20.400.000 đồng
Thiết bị phụ trợ (tủ sấy,bơm lõ,dây dẫn, sục khí, quạt, thông gió, đèn chiếu sáng,…)
Chi phí xây dựng nhà xưởng 2.940.000.000 đồng
Hệ thống nước thải 800.000.000 đồng
Tổng chi phí đầu tư ban đầu 5.379.368.000 đồng
Bảng 2.33 Bảng tổng chi phí đầu tư ban đầu
Vậy số tiền đầu tư ban đầu là: 5.379.368.000 đồng
Số tiền đầu tư hàng năm
2.12.2.1 Giá thành hóa chất hàng năm
Bảng 2.33 Tiêu tốn hóa chất hằng năm
Cấu tử Tổng tiêu tốn hóa chất (kg) Giá thành
2.12.2.2 Lượng điện năng tiêu tốn
Từ mục 2.9, tổng lượng điện năng dùng cho chỉnh lưu, đun nóng, chiếu sáng và thông gió là 863650,84 kWh
Phân xưởng sản xuất 2 ca, trong khung giờ làm việc bình thường, giá điện cấp từ tập đoàn điện lực Việt Nam là 1.572 đồng/kWh
Tổng tiền điện cho 1 năm sản xuất là 1.357.659.000 đồng
2.12.2.3 Lượng nước rửa tiêu tốn
Tiêu tốn nước rửa 1 ngày: 15,7 m 3
Tiêu tốn nước rửa 1 tháng 408,2 m 3
Giá nước sản xuất 15.000 đồng/m 3
Trả lương cho nhân viên
Công nhân vận hành: 6 công nhân chia 2 ca, lương 8.000.000 đồng/tháng/1 công nhân, thưởng tết 1 tháng lương → 1cn/năm: 104.000.000 đồng
Quản lý phân xưởng: 1 nhân viên, lương 12.000.000 đồng/tháng, thưởng tết
Kỹ sư: 2 nhân viên, lương 10.000.000 đồng/tháng/1 công nhân, thưởng tết 1 tháng lương → 1 cn/năm: 130.000.000 đồng
1 nhân viên phân tích: lương 9.000.000 đồng/tháng, thưởng tết 1 tháng lương → 1 năm: 117.000.000 đồng
Vậy số tiền phải trả lương trong 1 năm cho nhân viên là: 1.157.000.000 đồng
Tiêu tốn Chi phí Chi phí tiêu tốn hóa chất hằng năm 569.931.000 đồng
Tiêu tốn điện năng 1.357.659.000 đồng
Tiêu tốn nước rửa 1.561.365.000 đồng
Trả lương nhân viên 1.157.000.000 đồng
Tổng chi tiêu hằng năm 4.645.955.000 đồng
Bảng 2.35 Tổng chi phí vân hành tiêu tốn hàng năm
Vậy, tổng chi phí vận hành để đạt năng suất 1 năm là: 4.645.955.000 đồng Tổng chi phí:
Chi phí đầu tư ban đầu: 5.379.638.000 đồng
Chi phí vận hành: 4.645.955.000 đồng
Sản lượng nhà máy: 424.200 kg/năm
Giá mạ trên thị trường: 15000 đồng/kg
Doanh thu của phân xưởng là:
Tiền lãi hằng năm của phân xưởng:
=> Vậy sau 3,5 năm phân xưởng sẽ thu hồi vốn đầu tư.