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活塞环镀铬生产中的节电降耗3 p' k+ t4 G* z, s6 v1 p
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活塞环镀铬生产中的节电降耗
) s; E/ ]* y4 C3 h+ E0 P* Q0 y1 l ㈠ 前言
" L3 U8 A4 l! G' z4 t9 W0 Y/ ] 电耗费用是镀铬生产中的主要成本,如何节电降耗已成为活塞环镀铬厂家的当务之急,也是衡量活塞环技术的重要指标。然而目前大多数厂家特别是一些小型企业对活塞环镀铬的节电降耗没有引起足够的重视。有些厂家虽然看到它的重要性和急迫性,但在具体制定措施时仅仅停留在表面上,没有深挖潜力。造成这一原因的关键在于有关人员对镀铬的电耗没有一个深刻的认识。因此我们有必要从各个方面对活塞环镀铬电耗产生的原因、影响活塞环镀铬电耗的因素以及节电降耗的方法、措施等进行详细的分析探讨,以做到最大限度地降低电能的损耗
6 \# T. [5 _6 c㈡ 镀铬电耗的组成
* J- y( j; \ s8 G, @+ Q1 Y 在电镀工业中,电耗主要来自下列三部分2 E+ i$ e1 T {; G! ~, W' E
1、电镀过程中,电路上消耗的电能,其值可用Q=3 U线I线cosφ表示。分为直流电源的内电耗和镀槽的外电耗,它们是电镀所发生的主要电耗;
( r& m! k. `$ A9 [3 `5 D9 ?9 S$ u 2、环境温度较低时维持镀液工艺温度或升至工艺温时所发生的电耗;/ n* t, C' k0 V
3、其它辅助或公共设施所发生的电耗,如抽风系统、旋转传动系统、烘箱、喷砂机等设备所发生的电耗,其占总电耗的比例较小。# K4 j2 v4 Y# Z
●直流电源的内电耗% z! ? [$ p S# a% z1 B# s$ n
目前,直流电源普遍采用整流器,其内电耗主要有:
4 T* }) y6 {" _5 e6 Y a)主变压器损耗:主变压器是整流设备的核心,也是影响整流效率的一个重要因素.衡量变压器损耗的一个重要参数是变压器的效率σ" J$ `: |/ b. @# |7 H
σ=β.S.cosφ0 / [β.S.cosφ0+(P0+β2.Pke)]×100%
: v" i& y5 n8 @3 \+ A" I ——P0为空载损耗即铁损,它是由铁芯内涡流和磁滞所引起,其主要取决于选用的铁芯材料的最大磁感应强度和体积。# n0 H5 x- G8 X( z3 n4 `/ T
——Pke为短路损耗(即额定负载下的铜损),其取决于绕组的截面和匝数。- g& C) N+ C; g- b8 b* T- _
——β为负载系数,是次级电流与次级额定电流之比,当β=(P0/Pke)1/2时,变压器效率最高,设计时有必要考虑生产中负载的大小
8 T; p6 W6 Z9 ?6 ? ——S为变压器的平均额定容量S=(S初+S次)/2。一般来说,在负载系数不变的情况下,S越大,变压器的效率越高
* E. u- o! ?$ p/ m2 }0 n/ I ——cosφ为平均功率因素。cosφ是影响变压器效率的一个重要因素.由于镀铬整流器功率大,要求纹波因素小,一般采用六相整流。桥式整流器的主变压器次级利用率高,故cosφ也高;双反星带平衡电抗器整流器的主变压器次级利用率较低,故cosφ也就较低。如果采用晶闸管(可控硅)调压,当晶闸管部分导通时,功率因素受到很大影响,特别是当要求纹波因素很小而采用电感滤波时,功率因素变得更低.
% U* m( {& e( X/ j 对于三相桥式电感滤波整流器,其cosφ=0.955cos(α+γ/2),α为控制角,γ为变压器漏抗引起的换相重叠角。对于活塞环镀铬工艺,由于大多数要采用冲击电流,因此正镀时晶闸管处于部分导通,特别是当环筒直径变化很大而小缸径环所占比例较大时,如果在相同生产线上镀铬,则镀小缸径环时,功率因素很低,并且对电网波形影响很大,因此不宜采用晶闸管整流设备。如果所镀活塞环的缸径的大小比较固定,再通过其它方式(如次级绕组抽头或星形三角形换接)来达到冲击电压(如次级绕组抽头或星形三角形转接),则采用晶闸管整流设备可以获得较高的效率。" G' y8 Z9 @# q2 W! x
b)调压系统的损耗7 F# e% l5 v3 K+ T# G, f3 A- E
在整流设备中,调压方式主要分为:! k! c) b; K- \' f: Z% [2 ~
自耦接触调压器:其效率较高,但容量较小,体积较大.
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/ U' D! [1 {3 C 感应调压器:其效率较高,但占地大.
- E) e* U# r9 A4 \. o# ^ 饱和电抗器:其体积小,过载能力好,但效率低,功率因素低,而且由于其起始电压较高,不适合镀铬补镀
; [+ j( r+ E# X( a! _! ~1 X8 s 晶闸管调压器:分为初级晶闸管调压和次级晶闸管调压.- U, g' ]3 Q. F; ^/ w
前三者的电耗主要是线圈的铜损和铁芯的铁损.8 a$ Z4 `" y$ s! R! r( |+ ~/ g
第四种调压主要是晶闸管的管耗9 I7 g; n; r: ^! P) E
c)电抗器损耗:电抗器除了上面所讲到的用来原边调压的饱和电抗器外.还有用作滤波的平波电抗器和均流用的平衡电抗器,其损耗主要也是铜耗和铁损
7 {- Y- p; X# H1 ~, G1 j d)硅元件损耗及其它附属损耗,硅元件损耗P=nUrId
# O$ W5 E x1 O$ a ——n为电流每道通道所串联的元件数:在桥式整流中n=2,在双反星带平衡电抗器整流中n=1,所以对于大电流的镀铬来说一般不采用桥式整流.
# P) W- O( h2 l. J ——Ur为元件的正向峰值电压.二极管比晶闸管的Ur值要小,因经初级晶闸管调压的整流器的效率高于次级晶闸管调压的整流器,同一规格的硅元件的Ur值相差也较大,因此在选购时,要尽量选用较小Ur的硅元件./ L" l" i# s6 _( k+ b3 t9 h X$ X
注:目前,高频开关电源开始在镀铬技术中使用,其节电效果好,纹波系数小,但是大功率高频开关电源在正反向切换方面有一定难度。0 V, c9 ]) G) k
●镀槽外电耗(包括镀槽内和镀槽外线路电耗)
. Z+ ?7 g& q m: ^( I W=IUt 其中
3 G' s# g5 ~# U' ^3 ?) h I=k.Id≈Id≈Dk.Sk=2πDk.rk0 G3 c# b( }" k5 _/ _1 i2 v
t=60×7.1×δ/(0.324×100×ξk.Dk)=k.δ/Dk/ξk
# s" @5 _. b) Q U=U0+Id.R+Id.R0=Ed+ηa-ηk+Id.R+Id.R0; I2 B6 h! x4 e1 N0 ^
R=ρ.ln(ra/rk)/(2πL) (对于圆形阳极且阳极与工件有效长度相等)
; V# Z G+ z9 T, B5 n. M' n1 A3 j ∴ W/Sk=k.Dk.δ.rk [ρ.ln(ra/rk)+2πL.R0]/ξk +R.U0.δ/ξk$ B' P6 y- M \
k1——整流器的波纹系数,对于镀铬整流器k≈1 I——输出有效电流(A)! w7 D& j! N8 `, a( Y* j# G( f
Id——输出平均电流(A) h——受镀时间(min) Sk——阴极工件受镀面积(dm2), f: `) `& m/ t% n) A7 f3 w
ξk——阴极电流效率 R——溶液电阻(Ω) R0——线路电阻(Ω)
. C0 L X2 G8 K2 }$ d2 ^ Dk——阴极电流密度(A/dm2) ρ——溶液电阻率(Ω.dm)+ g9 d& P( D" [( A3 A' ?
k=60×7.1/324 L——阴极工件有效长度(dm)/ V5 _9 W* I% k
rk——阴极半径(dm) ra——阳极半径(dm)1 b8 y: X$ a/ W/ E5 g4 w
U——槽电压(V) Ed——理论分解电压(V). r) }- E- ?) t! ~! J" d
ηa——阳极过电位(V) ηk——阴极过电位(V)
v. I1 u/ u+ t7 d* \" {6 D9 x ln——自然对数 W/Sk——工件单位面积电耗
: F. }7 ?# [7 H; m3 T6 d8 ^1 g* U5 ^ 从式中可以看出, W/Sk与下列因素有关:) R% y- q7 ^# G7 y: ~9 V, V2 k
⒈U0=Ed+ηa-ηk,由于镀铬中发生下列反应:
% l7 s! c: w% P" i% L8 ^ A(阳极):2Cr3++7H2O-6e→Cr2O72-+14H+ ……①/ M+ `; ~1 f8 Z
H2O-4e→O2↑+4H+ ……②( e$ X$ {' a( b* n9 e
K(阴极):Cr2O72-+14H++6e→Cr3++7H2O ……③ / V0 {" Z, i, x4 s9 i; {- [
; \$ @0 {( [ | z+ m) \! c+ _
: [/ c4 Q. S4 }. I. N) C, _) e7 |+ O% P- h4 u7 S# M
2H+十2e→H2↑ ……④" }5 C1 _* b% M! P/ Z3 A
CrO42-+8H+-6e→Cr+4H20 ……⑤ |
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