Đối với thiết bị gia nhiệt vỏ bọc titan trong bể hoàn thiện kim loại có hỗn hợp clorua/kẽm cao, tại sao mật độ dòng điện catốt trên bề mặt ống lại là một hạn chế thiết kế chính?

CÁC BỒN MẠ ĐIỆN TỬ, GALVANIZING HOẶC HỢP KIM ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ HOÀN THÀNH KIM LOẠI VÀ CHỨA HỖN HỢP PHỨC TẠP CỦA ĐIỆN TỬ Các công thức điển hình bao gồm 50-100 g/L kẽm clorua (ZnCl2), amoni clorua (NH4Cl) làm muối dẫn điện, kali clorua (KCl) và một số chất tăng trắng hữu cơ. Bồn tắm ở nhiệt độ 30–50 độ với độ pH 4,5–6,0. Khả năng chống ăn mòn thường được xác định bằng thiết bị gia nhiệt vỏ titan. Tuy nhiên, những bể này vô tình tạo ra tình trạng điện hóa trong đó ống titan hoạt động như một cực âm để lắng đọng kẽm. Các ion kẽm trong dung dịch được mạ lên bề mặt titan nhờ tác động của hệ thống điện của chính lò sưởi hoặc bằng dòng điện rò từ bộ chỉnh lưu mạ. Nếu lớp kẽm vẫn mỏng và đồng đều thì ống được bảo vệ, nhưng nếu nó giãn nở thành các cấu trúc sần sùi, dạng nốt thì ống sẽ quá nóng và hỏng sớm. Yếu tố quyết định là tốc độ chuyển điện tử dẫn đến sự khử kẽm, tức là mật độ dòng catốt trên bề mặt ống.

Cơ chế lắng đọng kẽm catốt trên lò sưởi titan

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2), sự phát triển kẽm nhanh chóng tạo ra các cấu trúc đuôi gai tiếp xúc với các bộ phận khác của bể, dẫn đến đoản mạch và quá nhiệt cục bộ.

Chế độ hỏng bộ sưởi so với mật độ hiện tại: Mối tương quan định lượng

Dựa trên thử nghiệm có kiểm soát trong bể kẽm clorua mô phỏng (80 g/L ZnCl2, 100 g/L KCl, 50 độ), các kiểu hư hỏng sau đây đã được xác định đối với bộ gia nhiệt titan Cấp 2:

Mật độ dòng catốt dưới 1 mA/cm2: Tốc độ lắng đọng kẽm 0,1-0,3 mm/tháng. Chất kết dính bám dính, mịn và hạt mịn. Nhiệt độ lò sưởi không đổi. Việc loại bỏ axit có thể được sử dụng để loại bỏ lớp lắng đọng mà không làm hỏng kim loại cơ bản.

Mật độ dòng catốt 1–3 mA/cm2 Tốc độ lắng đọng kẽm 0,5–1,0 mm/tháng. Trầm tích có dạng nốt sần với độ xốp từ 20 đến 30%. Quá nhiệt cục bộ tại các đỉnh cặn lắng làm tăng nhiệt độ bề mặt titan lên 10–15 độ so với điểm đặt. Máy sưởi quá thường xuyên chạy.

Mật độ dòng catốt 3-8 mA/cm2 Tốc độ lắng đọng kẽm 1,5-3,0 mm mỗi tháng Trong vòng 2–4 tuần, sự phát triển đuôi gai dài 5–10 mm. Sợi nhánh xuyên qua thành bể hoặc các lò sưởi khác, gây đoản mạch. Lỗi bộ gia nhiệt là do nóng chảy cục bộ tại các vị trí tiếp xúc.

Mật độ dòng catốt > 10 mA/cm2: Tốc độ lắng đọng kẽm > 5 mm/tháng. Tăng trưởng đuôi gai nhanh chóng không được kiểm soát. Máy sưởi thường thổi trong 1-2 tuần. Khi kẽm bong ra, kim loại nền titan có thể bị ăn mòn tích cực.

2.0 Chiến lược kiểm soát mật độ dòng điện trong bể hoàn thiện kim loại

Bảng sau đây đưa ra sơ đồ quyết định để quản lý mật độ dòng catốt trên bộ gia nhiệt vỏ titan dựa trên cấu hình bể và môi trường điện.

Chiến lược điều chỉnh và thiết kế bể chứa và điều chỉnh thiết kế để đạt được mật độ dòng catốt tối đa cho phép
Bình chứa được nối đất đúng cách, Bộ gia nhiệt cách điện với bình chứa, Không có dòng điện rò 2 mA/cm2 Có thể chấp nhận để vận hành thường xuyên. Giám sát độ dày cặn hàng tháng. Vệ sinh lò sưởi định kỳ 3-6 tháng một lần.
Mặt bích bộ sưởi tiếp xúc điện với bể chứa (cực âm, có đường dẫn điện) 0,5 mA/cm²Lắp miếng đệm cách điện (PTFE, 3 mm) giữa mặt bích bộ sưởi và bể chứa. "Giảm mật độ dòng điện xuống 25%."
Stray currents from rectifier (measured >0,5 V giữa bộ gia nhiệt và điện cực tham chiếu) 0,2 mA/cm2Lắp đặt thanh nối đất bằng bộ gia nhiệt. Tấm chắn nóng, với ống PTFE đục lỗ để cải thiện đường dẫn điện
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 độ) 1 mA/cm2Hàm lượng kẽm thấp hơn hoặc nhiệt độ bể thấp hơn. Zn 2+ cao hơn làm tăng tốc độ lắng đọng ở mật độ dòng điện tương tự.
Bộ gia nhiệt hoạt động trong bể có các cực âm phụ trợ (cực âm ăn cắp) để phân phối dòng điện 3 mA/cm^2 Các cực âm ăn trộm chuyển hướng dòng điện ra khỏi bộ gia nhiệt. Được rồi để kẻ trộm được dọn dẹp hàng tuần.
Kỹ thuật vượt quá tầm kiểm soát của mật độ dòng điện Cathodic

Bề mặt hoàn thiện của ống titan có ảnh hưởng mạnh đến độ bám dính của kẽm. Bề mặt được đánh bóng bằng điện mịn (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Viết một đặc tả có hiểu biết

Ví dụ: nếu bạn đang yêu cầu bộ gia nhiệt có vỏ bọc bằng titan cho bể hoàn thiện kim loại có sự kết hợp clorua/kẽm cao, hãy chỉ định rằng bộ gia nhiệt được cách ly về điện với bể bằng các miếng đệm và ống lót PTFE. Đặt mật độ dòng catốt tối đa cho phép là 1mA/cm2 dựa trên diện tích bề mặt bộ sưởi và dòng điện rò được ghi trong bể. Yêu cầu nhà cung cấp cung cấp lò sưởi có bề mặt được đánh bóng bằng điện để dễ dàng loại bỏ cặn kẽm. Đối với các hệ thống lắp đặt hiện có, hãy đo điện áp giữa vỏ lò sưởi và điện cực tham chiếu đồng sunfat đồng-trong quá trình mạ. Nếu số đọc lớn hơn 0,3 V thì điều đó cho thấy độ phân cực catốt quá cao và cần hiệu chỉnh. Một hệ thống dòng điện ngược được điều khiển bằng bộ đếm thời gian được cung cấp-được cung cấp để cung cấp xung anốt ngắn (1 đến 2 giây với mật độ dòng điện từ 2 đến 3 mA/cm 2 ) mỗi giờ để hòa tan cặn kẽm mới hình thành trước khi chúng phát triển thành các nốt sần. Kỹ sư giới hạn mật độ dòng điện cực âm như một giới hạn thiết kế quan trọng nhằm tránh sự hư hỏng xếp tầng trong quá trình phát triển kẽm đuôi gai, quá nhiệt và đoản mạch trong lò sưởi titan dùng trong các ứng dụng mạ điện.