Устройство для анодирования длинномерных изделий Советский патент 1986 года по МПК C25F7/00 

Изобретение относится к области электрохимической обработки изделий и может быть использовано для образо вания защитных анодных окиснЫх пленок барьерного типа на длинномерных изделиях из вентильных металлов и их сплавов (например, на проволоке или трубчатых изделиях из циркония, гафния, ниобия, тантала и их сплавов). особенно на оболочках для тепловьщеля-10 ющих элементов и готовых ТВЭЛ для атомных реакторов. Известно устройство для анодирования изделий любой длины из алюминия, состоящее из нескольких цилиндрических, разделенных между собой ячеек, охватывающих непрерывно перемещающееся изделие. По мере перемещения изделие последовательно подвергается очистке, промывке, анодированию при определенном потенциале, отмывке, ано дированию при более высоком потенциале, снова отмывка и так несколько раз до достижения требуемой толщины окисной пленки. В последней ячейке изде1пие подвергается сушке; Положительный потенциал подводится непосредственно к изделию. Отрицательный потенциал подводится к корпусу каждой анодирующей ячейки, служащему катодом, автономно или от общего источника питания через распределительное устрсэйство таким образом, чтобы установить среднкйо плотность тока в каждой ячейке на определенном, одинаковом для всех ячеек уровне. Электролит смешивается с сжатым воздухом и углекислым газом и подается на поверхность изделия с помощью форсунок автономно для каждой ячейки. Анодирование ведется импульсным током высокой плотности. Данное устройство не может быть использовано для нанесения на изделия из циркония, гафния, ниобия, тантала и их сплавов, особенно на оболочки тепловыделяющих элементов и готовые ТВЭЛ дпя атомных реактор.ов защитных ОКИСНЫХ пленок барьерного типа, повы шающих их коррозионную стойкость, в связи с тем, что: при входе в анодирующую ячейку необработанного при данном потенциале участка изделия возникает высокая локальная плотность тока, что приводит к диэлектрическому пробою окисной пленки, искрению поверхности и, как следствие, .к образованию окисного 222 слоя, не обладающего защитными свойствами;подвод потенциала непосредственно к перемещающемуся изделию может привести к искрению, вплоть до образования дуги, при этом поверхность изделия приходит в негодность. Известно устройство для электрохимической обработки длинномерных изделий, содержащее электролизер, систему подачи электролита, токоподводы и систему электродов. Постоянство плотности тока по длине изделия достигается изменением сечения пластины проводника (например, графита), служащего вспомогательным электродом. В случае катодного электроосаждения металлов или электрополировки общее сопротивление системы между токоподводом к вспомогательному электроду и изделием меняется по дайне изделия не так значительно (в пределах одного порядка). Это позволяет осуществить электрохимическую обработку проволоки с одинаковой плотностью тока по ее длине, используя вспомогательный электрод переменного сечения, но при постоянстве расстояния между электродом и обрабатываемой проволокой. В случае образования анодных окисных пленок сопротивление их по длине обрабатываемого участка меняется от О до 10 См.- Поэтому уравнение для расчета сечения электрода, принимающее постоянным по длине удельное сопротивление изделия (проволоки), и сам принцип становятся непригодными. Даже при использовании в качестве материала электрода графита, обладаю ° высоким удельным сопротивлением. для компенсации таких изменений сопротивления изделий по длине необходимы очень тонкце в сечении электроды. При анодировании не проволоки, а длинномерных труб, возникает необходимость изготовления кольцеобразных в сечении вспомогательных электродов , что при малой толщине и большой протяженности становится совершенно невозможным. Целью изобретения является повышение качества обработки путем равномерного распределения тока по длине изделия. . Поставленная, цель достигается тем, что в устройстве для анодирования длинномерных изделий, содержащем элек тролизер, систему подачи электролита, токоподводы и систему электродов катоды выполнены с переменным по длине внутренним диаметром, определяемом из соотношения,

D D,-I. и, - f(e), где D - наименьший диаметр катода;

К - удельная электропроводность

электролита; I - плотность тока на единицу

длины изделия; Ч (е) - распределение потенциала по

длине электролизера, требуемое для обеспечения гальваностатического режима анодирования и определяемое опытным путем; 1 -: координата длины электролизера;

Uj - конечное напряжение анодирования .

Удельная скорость роста анодной окисной пленки при гальваностатическом режиме анодирования определяется как

df

Ч гЕ,

idt

где - потенциал;

i. - плотность тока;

t - время;

- эффективность процесса;

г - прирост толщины пленки на

единицу прошедшего заряда; Е - напряженность электрического

поля в пленке.

Отсюда следует, что потенциал является функцией времени ), которая для конкретного металла может быть взята из литературы или определена экспериментально. Задаваясь скоростью перемещения издейий V

1

- , из зависимости потенциала от.

времени можно определить распределение потенциала по длине электролизера, необходимое для обеспечения гальваностатического режима анодирования, 4(1).

На чертеже показано устройство для анодирования длинномерных изделий .

Устройство содержит электролизер, состоящий из нескольких ячеек 1. Каждая ячейка имеет крльцевой катод 2, диаметр которого меняется по длине

ячейки, и камера 3 и 4 ввода и вывод электролита с патрубками 5. С помощь трубопроводов ячейки 1 соединены с насосом 6 и баком 7 для электролита. Между собой ячейки разделены neperoj родками 8 с отверстиями для перемещения изделий 9. Отрицательный потенциал к каждой ячейке подводится через распределительное устройство 10. По краям электролизера расположены ячейки 11, служащие для подвода потенциала к изделиям и состоящие из цилиндрического анода 12 и камер 13 и 14 для ввода и вывода электролита с патрубками 15. С помощью трубопроводов ячейки 11 соединены с насосом 16 и баком 17 для электролита. По торцам ячейки подвода потенциала к изделию ограничены пустотелыми кольцевыми манжетами 18 с воздушным подпором.

- Устройство работает следующим образом.

При перемещении изделия 9 через электролизер к нему в ячейках 11, через которые с помощью насоса 16 прокачивается электролит, подается потенциал, являющийся положительным по отношению к потенциалам катодов 2 ячеек 1. При входе изделия в первую ячейку 1 плотность тока на нем определяется потенциалом, подводимым к катоду 2 ячейки,, и суммарным сопротивлением первоначальной окисной пленки на изделии и электролите в кольцевом зазоре между изделием и катодом. По мере продвижения изделия через ячейку 1 анодная пленк 1 на нем растет и увеличивается ее электрическое сопротивление, Но вместе с тем за счет уменьшения диаметра катода 2 уменьшается сопротивление электролита в кольцевом зазоре. В результате суммарное сопротивление электролита и анодной пленки остается постоянным по длине ячейки, а следовательно,остается постоянной и плотность тока, в то время как потенциал на анодной пленке возрастает.

При входе изделия s следующую ячейку, имеющую ту же геометрию,что предьщущая, потенциал на его анодной пленке имеет ту же величину, что и в конце предыдущей ячейки, а плотность тока сохраняется на прежнем уровне за счет более высокого подводимого к катоду потенциала. В результате при перемещении изделия через устройство наращивание анодной пленки происходит в гальваностатическом режиме. Выполнение в предложенном устройстве катодов ячеек электролизера ано дирования с переменным по их длине диаметром в соответствии с зависимостьюD D,.i - UK - (е) позволяет осуществить гальваностатический (при постоянной, заданной плотности тока) режим непрерывного анодирова ния наружной поверхности дпиннЬмерных изделий, получить на поверхности беспористые анодные окис ные пленки барьерного типа с высокими защитными свойствами и тем самым повысить коррозионную стойкость изде лий из вентильных металлов и их спла Кроме того, подвод потенциала к обрабатываемым изделиям посредством жидкостного контакта в ячейках, расположенных по концам электролизера, позволяет исключить возможность повреждения поверхности обрабатываемых изделий за счет прижога при непосред ственном контакте. В качестве примера можно привести анодирование длинномерных трубчатых изделий диаметром 1,36 см из сплава циркония в 0,03% растворе NaOH до напряжения 50 В при постоянной плотности тока 5 мА/см, перемещающихся со скоростью 5 см/сек. Экспериментально определенная -при плотности тока 5 мА/см скорость изменения потенциала во времени составляет для электрополированного сплава 1 В/сек.Отсюда, необходимое для поддержания постоянной плотности тока 5 мА/см изменение потенциала по длине электролизера составит 0,2 В/см; общая длина электролизера 250 см. Разбив электролизер на 15 одинаковых ячеек длиной по 16,7 см, в каждой из которых должен осуществляться гальваностатический режим при плавном изменении потенциала на 3,33 В, и задавшись наикеньшим диаметром электродов 2 см, получают плавное изменение диаметров электродов в каждой ячейке от 11,4 см до 2 см в соответствии с приведенной экспоненциальной зависимостью. При этом обеспечивается режим постоянной плотности тока анодирования 5 мА/см. Устройство позволяет .упростить технологическую линию производства ТВЭЛ, исключив из нее котлонадзорйое автоклавное оборудование, работающее при температуре 300°С и давлении (0,91,1)-10 Па, сократить на 4-5 сут объем незавершенного производства и уменьшить расход электроэнергии.

УСТРОЙСТВО ДПЯ АНОДИРОВАНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ, содержащее электролизер, систему подачи электролита, токоподводы и систему электроI дов, отличающееся тем, что, с целью повышения качества обработки путем равномерного распредеСчютл/а fgjfsflf ления тока по длине изделия, катоды выполнены с переменным по длине внутренним диаметром, определяемым из соотношения D D 1 UK - (е)1 Р I где D - наименьший внутренний диаметр катода; К - удельная электропроводность электролита; I - плотность тока на единицу длины изделия; Ч(е) - распределение потенциала по длине электролизера; 1 - координата длины электролизера; и - конечное напряжение анодирования .