Đang tải... (xem toàn văn)
Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.
CHƯƠNG I PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 1.1 Công nghệ điện phân Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng. Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyện đều dùng phương pháp điện phân. Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện. Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH… chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp. Ưu điểm chính của phương pháp điện phân: + Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyện được. + Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng ôxit… đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn phương pháp khác. + Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng. + Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao. * Lý thuyết quá trình điện phân: 1 - Hệ thống điện hóa : 2 - Dung dịch điện ly. Dung dịch điện ly gồm: + Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại cùng 1 số hóa chất khác. + Thành phần phụ gia: chất đệm và chống thụ động Anôt. Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luôn ổn định khi điện phân, tốc độ của kim loại về Catot cũng nhỏ khi thoát ra cũng phải ổn định. Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot. Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là: + Dung dịch nước. + Dung dịch muối nóng chảy. Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như: + Điện phân trong dung dịch nước: luyện Zn, tinh luyện Cu, Ni, Pb… + Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm… - Một số đặc điểm của dung dịch điện phân: - Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều. - Độ pH phụ thuộc chất điện phân. - Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi. 1.2 Các quá trình điện cực - Quá trình Anot: Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều. Khi điện phân, trên anot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot và chia làm 2 loại: + Quá trình Anot tan. + Quá trình Anot không tan. Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa. 3 a) Trường hợp Anot tan Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân. Ví dụ: Cu – 2e Cu 2+ Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot. Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính: - Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện. - Hidrat hóa các Cation. - Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch. b) Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch: 4OH – – 4e 2H 2 O + O 2 2Cl – – 2e Cl 2 Quá trình Catot: Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, là nơi đặt vật mạ hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt catot. Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại: M Z+ + z.e M Hoặc hoàn nguyên Hydro: 2H + + 2e H 2 1.3 Quá trình kết tủa kim loại và các yếu tố ảnh hưởng Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên ngoài của kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn. Việc lấy được một kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào quá trình kết tinh điện hóa Catot. 4 Quá trình kết tinh điện hóa một kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm và quá trình phát triển tinh thể. Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể. Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần điều khiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau: - Mật độ dòng điện và phân cực. - Thành phần và nhiệt độ dung dịch. - Chất hoạt tính bề mặt. - Chủng loại các Catot mẫu. - Sự tuần hoàn dung dịch. a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch. Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điện của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot. Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn. b) Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ … c) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm, ngược lại mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô. Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy. Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch. 5 1.4 Yêu cầu của nguồn điện phân Trong công nghệ điện phân thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi điện phân thu được. Nguồn điện phân là nguồn 1 chiều như: pin, ác quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi. Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi, bộ biến đổi trong quá trình điện phân có điện áp thấp: 3V, 6V, 12V, 24V Tùy theo yêu cầu của kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cấp thiết cho một số quy định. VD: Điện phân Niken trong công nghệ mạ thường dùng điện áp 6V hay 12 V. Để mạ Crôm dùng 12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thương dùng điện áp 12-14V. Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định. Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn. 1.5. Tính chất tải điện phân Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do đó hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể. Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua. Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thật bằng phẳng. Kết luận: Như trên ta đã thấy sơ qua về công nghệ điện phân, các quá trình điện cực cũng như quá trình kết tủa, các yếu tố ảnh hưởng về điện phân và yêu cầu cũng như tính chất của tải điện phân và nguồn điện phân. Nguồn điện dùng cho tủ điện phân phải là nguồn 1 chiều có thể điều chỉnh được và tải là tải thuần trở Để hiểu rõ hơn về tủ điện phân ta tìm hiểu quá trình lựa chọn và xây dựng mạch lực cho tủ điện phân ở chương II. 6 CHƯƠNG II LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU 2.1 Giới thiệu chung Trong công nghệ điện phân thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyết định nhiều đến chất lượng điện phân sau khi mạ thu được. Nguồn điện 1 chiều có thể là ắc quy, máy phát điện, bộ biến đổi chúng ta phân tích từng loại nguồn để quyết định lựa chọn phương án nào. 1. Ắc quy: Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lượng điện tích nên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được. Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được. Vì vậy mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ. 2. Máy phát điện một chiều: Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một chiều khắc phục được các nhược điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm: cổ góp mau hỏng, thiết bị cồng kềnh, làm việc có tiếng ồn lớn và cần thường xuyên bảo trì, sửa chữa. Chính vì các lý do trên nên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều. 3. Bộ biến đổi: Hiện nay, trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi. Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạt động với độ tin cậy cao. Đặc biệt công nghệ sản xuất Tiristo đã đạt được nhiều thành tựu. Chính vì vậy, các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều, ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp. Ngày nay, trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như: 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50V. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp. Bộ biến đổi 7 với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định. So với dùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kĩ thuật. Vậy, quyết định phương án là dùng bộ biến đổi. Tuy nhiên điện áp và dòng điện sau khi chỉnh lưu có chiều không đổi nhưng vẫn dao động về trị số, do đó để tải nhận được một điện áp hoặc dòng điện hoàn toàn không đổi cả về chiều và trị số người ta phải dùng phần tử lọc, mục đích của phần tử lọc là làm suy giảm thành phần dao động của điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế nguồn tủ điện phân nhưng thường sử dụng nhất là dùng nguồn điện xoay chiều có bộ chỉnh lưu. Nguồn điện xoay chiều lại có 2 loại: 1 pha và 3 pha là phổ biến nhất. Ứng với mỗi loại lại có các phương pháp chỉnh lưu khác nhau. Sau đây, ta đi nghiên cứu các loại cơ bản sau. 2.2 Tổng quan về chỉnh lưu 2.2.1 Khái niệm Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Hiện nay, trong kĩ thuật chỉnh lưu hầu như người ta chỉ dùng các phần tử bán dẫn công suất (điốt, tiristo). Điều đó là do các bộ chỉnh lưu bán dẫn có hiệu công suất rất cao, làm việc tin cậy, giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng nhỏ, kích thước và trọng lượng bé. Để chỉnh lưu công suất nhỏ người ta thường dùng các bộ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, còn để chỉnh lưu công suất lớn người ta dùng bộ chỉnh lưu ba pha. Ưu điểm của bộ chỉnh lưu 3 pha là công suất ra tải lớn, điện áp và dòng điện ra tải ít dao động. Điều đó làm đơn giản hóa vấn đề về lọc. Điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu có chiều không đổi nhưng vẫn dao động về trị số. Do đó, để tải nhận được một điện áp hoặc dòng điện hoàn toàn không đổi cả về chiều và trị số người ta phải dùng phần tử lọc. Mục đích của phần tử lọc là làm suy giảm thành phần dao động của điện áp và dòng chỉnh lưu . 8 2.2.2 Phân loại Có 2 loại chỉnh lưu chính: a. Mạch chỉnh lưu không có điều khiển (sử dụng Diốt) - Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa - Chỉnh lưu cầu 1 pha - Chỉnh lưu tia 3 pha - Chỉnh lưu cầu 3 pha b. Mạch chỉnh lưu có điều khiển (sử dụng Tiristo) - Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa - Chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển - Chỉnh lưu tia 3 pha - Chỉnh lưu cầu 3 pha Kết luận: Do cần điều chỉnh dòng áp nên cần sử dụng mạch có điều khiển. Vì vậy, ta cần lựa chọn các mạch chỉnh lưu có điều khiển. 2.3 Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển 2.3.1 Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì dùng thyristor 9 Hình 2.2.Đồ thị dòng điện chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì dùng thyristor * Nguyên lý hoạt động: Tại α = 1 θ cấp xung cho 1 T Từ ( 1 θ ÷π) 21 u >0, 1 T phân cực thuận , 1 T mở, 2 T khóa Dòng điện i đi từ: A → T 1 → K → R → O; u u d = U 21 ; R U I d d = Từ khoảng ( π÷ 2 θ ) 21 u có xu hướng <0 1 T tự động khóa lại , u d =0, 0 d i = Tại thời điểm 2 α θ = cấp xung cho 2 T Từ ( 2 θ ÷2π) 22 u >0, 2 T phân cực thuận, 1 T phân cực ngược , 2 T mở, 1 T khóa Dòng điện đi từ: B → T 2 → K → R → O ; u d = 22 u , R u i d d = * Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. 10 [...]... Mạch đồng bộ hóa và phát xung răng cưa: *Mạch đồng bộ hóa: 29 *Phát xung răng cưa: 1 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý khâu tạo điện áp răng cưa - BAD là máy biến áp đồng bộ để tạo ra tín hiệu đồng bộ hóa - Điốt D, Transistor Tr, các điện trở R1,R2,R3,R4, tụ điện C là các phần tử của mạch phát điện áp răng cưa 30 - Điện áp nguồn xoay chiều cáp cho sơ đồ chỉnh lưa áp 1 chiều cung cấp cho sơ đồ... cưa U cc U1 , điện áp đồng bộ U db , điện áp đầu ra của sơ đồ , điện U rc Hình 4.2 Đồ thị điện áp khâu tạo điện áp răng cưa 2 Nguyên lý làm việc: Ta giả thiết rằng: tại ωt = 0 ωt = 0 thì U db = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kì dương, tại điện áp trên tụ C đang bằng 0 Sau thời điểm ωt = 0 thì U db > 0 , điện áp tại điểm a lớn hơn điện áp tại điểm 0, D BA → R2 → D phân cực thuận, D sẽ mở cho dòng đi... qua i: , Tr đặt điện áp ngược nên khóa, tụ C được nạp điện điện từ nguồn 1 chiều cung cấp cho sơ đồ có giá trị ổn định là U cc qua đầu điện trở R3 đến C rồi về đất ωt = π U db = 0 Đến thì điện thế tại điểm a nhỏ hơn tại điểm 0, bắt đầu chuyển qua nửa chu kì âm, D bị phân cực ngược nên khóa lại, dưới tác động của nguồn 1 chiều UR2 = R2 U cc > 0.6V R1 + R2 qua R1 và R2 , tới khi điện áp phân áp thì Tr... đó ta chọn phương án mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia cho việc thực hiện bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân *Lựa chọn mạch lực: Sơ đồ: 20 Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha dùng thyristor 21 Hình 2.8: Đồ thị dòng điện áp, dòng của tải R Trong đó: - BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu - Các thiristor T₁, T₂, T₃ dùng để biến điện áp xoay chiều 3 pha bên thư cấp máy biến áp là... thị điện áp, dòng điện tải R * Nguyên lý làm việc: Tại thời điểm α = θ1 cấp xung cho T1 , ua + + , T1 phân cực thuận nên T1 mở ; T2 vàT3 khóa ud = ua , dòng điện đi từ: a → T1 → K → R →O; Tại thời điểm α = θ2 cấp xung cho T2 , u b + + T2 uT 1 = 0 , phân cực thuận nên khóa 16 T2 mở ; T1vàT3 u d = ub , dòng điện đi từ: b → T2 → K → R →O; Tại thời điểm α = θ3 cấp xung cho U T2 = 0 T3 u c + + T3 , , phân. .. T1 mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua T1 đến mở bão hòa T2 để T2 dnx dòng chính chảy qua máy BAX xuống đât như vậy điện áp trên cuộn sơ cấp máy BAX và dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung Dòng điện xung chảy vào cực điều khiển của thyristor 4.2.5: Khối nguồn Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển là mạch một chiều, trị số điện áp và độ ổn định tùy thuộc từng khâu trong mạch Chọn nguồn. .. phần tử phụ tải của bộ phận chỉnh lưu Tại thời điểm α = θ1 cấp xung cho T1 , ua + + , T1 phân cực thuận nên khóa ud = ua , dòng điện đi từ: a → T1 → K → R →O; 22 uT 1 = 0 T1 mở ; T2 vàT3 α = θ2 Tại thời điểm cấp xung cho T2 , u b + + T2 , phân cực thuận nên T2 mở ; T1vàT3 khóa u d = ub , dòng điện đi từ: b → T2 → K → R →O; Tại thời điểm α = θ3 cấp xung cho U T2 = 0 T3 u c + + T3 , , phân cực thuận nên... thước bộ lọc cũng nhỏ đi * Nhược điểm: - Cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải - Điều khiển phức tạp hơn nguồn 1 pha 23 * Thông số của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha: Điện áp trung bình: 3 6U 2 2π Ud0= Điện áp ngược cựu đại trên mỗi thyristor: 6U 2 Ungmax= Dòng điện trung bình của tải: Id = Ud R Giá trị trung bình dòng điện qua mỗi thyristor: IT = Id 3 24 CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ... và bắt đầu phóng điện tụ C phóng theo chiều (+) tụ → Tr → R4 → (−)tu ,tụ C phóng điện tới khi điện áp trên tụ bằng 0 và do Tr mở nên điện áp trên tụ giữ gía trị bằng 0 cho đến thời điểm chuyển lên chu kì dương Sự là 31 việc của sơ đồ lặp lại như chu kì vừa xét Điện áp răng cưa đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra 3.Tính toán: U rc như hình 4.2 U c max = 7V Giả thiết: , E=12V, f... đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện cao - Công suất cao * Nhược điểm: - Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao - Sơ đồ này chỉ dùng cho tải có công suất lớn, dung tải chỉnh lưu nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng Nhận xét: - Mạch chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha dùng cho mạch có dòng điện tải lớn - Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha dùng cho mạch có điện áp lớn, . nghệ điện phân, các quá trình điện cực cũng như quá trình kết tủa, các yếu tố ảnh hưởng về điện phân và yêu cầu cũng như tính chất của tải điện phân và nguồn điện phân. Nguồn điện dùng cho tủ điện phân. cầu của nguồn điện phân Trong công nghệ điện phân thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi điện phân thu được. Nguồn điện phân là nguồn 1. dao động của điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế nguồn tủ điện phân nhưng thường sử dụng nhất là dùng nguồn điện xoay chiều có bộ chỉnh lưu. Nguồn điện xoay chiều