6 Выбор и описание стадий технологического процесса

6.1 Изготовление токоотводов

Токоотводы стартерных типов аккумуляторов отлива­ются на литейных автоматах карусельного типа, а также на современных автоматах типа УСОТ-1С, Агат-2, WIRTZ [1].

Решетки можно изготовить несколькими способами: литьем и просечно- вытяжным методом. Испытания показали, что литые и просечно-вытяжные токоотводы имеют практически одинаковые характеристики. Необходимо, однако, отметить, что новый метод по сравнению с методом литья отличается заметной сложностью конструкторского и технологического порядка, а также более дорогостоящий [1].

Решётка положительного электрода аккумуляторной батареи 6СТ-190 имеет толщину более 1 мм, поэтому для её производства выбирают метод свободного литья. Первоначальное приготовление расплава осуществляется в три стадии [5]:

- разрезание чушки сплава на несколько кусков;

- укладывание кусков в котёл;

- плавление при помощи газового нагрева котла.

В современных литейных автоматах, в отличие от карусельных машин, плавильный котел монтируется отдельно. Это позволяет от одного кот­ла питать сплавом одновременно два литейных автомата. Темпера­тура сплава в котле поддерживается немного выше температуры плавления, и только при подаче сплава насосом в заливочную насадку он дополнительно разогревается в трубопроводе до температуры, необходимой при заливке. Такой режим литья снижает угар сплава и шлакообразования. Открывание и закрывание литейной формы производится пневматическим приводом. Отливка по­дается на транспортер, проходит рихтовочные валики и поступает, в устрой­ство для обрубки литника, где токоотвод фиксируется по ушкам и происходит обрубка нижнего облоя и литника. Токоотводы с помощью специального механизма собираются в стопку на направляющих накопителя выводного устройства.

Облой и литники возвращаются транспор­тером в плавильный котел. Автомат имеет блокирующее устройство на случай, если отливка не выпала из формы или, если форма полностью не закрылась. Производительность автомата составляет порядка 4—5 тыс. отливок за 8-часовую смену [2].

Формы, применяемые для отливки аккумуляторных решеток, представляют собой две массивные чугунные плиты, на внутренних поверхностях которых методом фрезерования нанесено модельное изображение отливаемой ре­шетки. Рабочие поверхности форм снабжены каналами для быст­рого удаления воздуха при заливке сплава. Лучшему заполнению форм сплавом способствует дополнительный нагрев электронагре­вательными элементами, вмонтированными в корпус. Для отливки решеток обычно применяют двухместные формы [7].

Существенную роль при отливке аккумуляторных решеток иг­рает покрытие рабочей поверхности форм теплоизолирующим слоем, который, предотвращая чрезмерную потерю тепла отливкой, обеспечивает равномерное заполнение каналов формы, и предотвращает их забивку сплавом. Из всех предложенных покрытий для литейных форм аккумуляторных заводов, наилучшим оказалось покрытие, получаемое из водной суспензии, содержащей пробковую муку (50÷100 г/л) и силикат натрия (10÷25 г/л). Масса пробковой муки, приходящаяся на единицу объема, составляет 0,04÷0,2 г/см3,а плотность раствора-силиката натрия 1,3÷1,5 г/см3 [7].

Основным достоинством машин свободного литья является их ком­пактность, надежность в работе, высокая производительность, точность отливок и лучшие санитарно-гигиенические условия работы [2].

После того как токоотводы с помощью специального механизма были собраны в стопки, они укладываются оператором на паллет по 50 штук в каждой пачке. Затем с помощью погрузчика паллет с токоотводами направляется на складирование, где происходит процесс рекристаллизации. Решётки на рекристаллизации находятся не менее двух суток. [2].

При рекристаллизации происходит уменьшение объёмной энергии деформирован­ных кристаллитов за счет уменьшения числа дефектов структуры, внесённых деформацией, и восстановление структуры и свойств недеформированного материала

6.2 Получение свинцового порошка

Существует несколько ва­риантов технологии изготовления пастированных пластин, отли­чающихся по применяемому исходному сырью [6]:

1) Порошковая. Пасты для положительных и отрицательных пластин получают из свинцового порошка. Свинцовый порошок готовят путем размола в мельницах свинцовых цилиндриков. Его состав: 55÷75% РbО и 45÷25% мелкораздробленный Pb.

2) Сурико-глетная. Пасты готовят из смеси сурика и глета и растворов серной кислоты.

3) Сурико-аммонийная. Пасты для положительных и отрица­тельных пластин готовят из сурика и растворов сульфата аммония иногда с небольшим количеством серной кислоты.

Положительные активные массы из суриковых паст с первых же циклов работы отдают полную емкость, тогда как массы из по­рошковых паст должны разрабатываться и набирают ёмкость в течение нескольких циклов заряда и разряда. В остальном каче­ство аккумуляторов, изготовленных из порошковых и суриково-глетных паст, равноценно. Аммонийные пасты очень быстро схва­тываются и твердеют, поэтому они непригодны для современной машинной намазки пластин. Раньше аммонийные пасты были рас­пространены, так как пластины, изготовленные из них, отлича­ются прочностью [6].

Наибольшее распространение получила порошковая техноло­гия, так как порошок стандартнее, чем сурик и получается более простым и экономичным способом. Кроме того, потери при транспортировке свинца в чушках меньше, чем при перевозках сурика и глета. Порошок готовят непосредственно на аккумуля­торных заводах [7].

Мельничный метод получения порошков для производства свин­цовых аккумуляторов является весьма распространенным, но не единственным способом. Порошки с заданными характеристиками можно получить также методом распыления жидкого свинца. Но применение метода распыления связано со значительными конструкторскими трудностями [7].

В аккумуляторной промышленности применяют несколько типов мельниц для изготовления свинцового порошка (сито­вые, циклонные, вихревые, конические). Разница между ними заключается в основном в способе удаления обра­зующегося свинцового порошка из барабана мельниц [11].

Работа на участке производства свинцового порошка осуществляется следующим образом. Рафинированный свинец марки С0 и С1, поступающий на завод в виде чушек массой 40-45 кг, укладывается с помощью тельфера на транспортер подачи чушек в печь автомата литья цилиндриков.

В печи происходит расплавление свинцовых чушек, после чего расплавленный свинец центробежным насосом подают по хорошо загерметизированным трубопроводам к автомату литья цилиндриков.

В трубопроводах поддерживается нужная температура, свинец в них не окисляется, так как не соприкасается с кислородом воздуха. Благодаря этому сплав в плавильном котле нагревается лишь немногим выше точки плавления, что сводит к минимуму образования изгари [5].

Автомат литья цилиндриков представляет собой литейную форму карусельного типа, в которую при вращении подается расплавленный свинец. За время одного оборота карусели свинец остывает до 130-1500C. При работе машины не реже чем через 2 часа производится обработка литейной части формы коптящим ацетиленовым пламенем, до образования бархатистого чёрного налета на ней для не допущения слипания горячего свинца с формой. Затем с помощью толкателей цилиндрики падают в приемник элеватора, подающего их в силос-накопитель, для создания запаса цилиндриков на случай непредвиденных простоев автомата литья цилиндриков. Из накопителя цилиндрики подаются в мельницу с помощью транспортера в автоматическом режиме для поддержания заданного веса [5].

При вращении барабана цилиндрики, ударяясь друг о друга и о стенку, истираются и окисляются под действием кислорода воздуха. Образующиеся тонкие окисленные слои отслаиваются от цилиндриков в виде зёрен. Готовый порошок состоит из мельчай­ших зёрен металлического свинца, покрытых окисью свинца. Содержание окиси свинца составляет от 55 до 75%. Процесс образования свинцового порошка сопровождается вы­делением значительного количества тепла, поэтому внешние стенки барабанов охлаждаются за счёт орошения водой [11].

Особый характер кристаллической структуры свинца, обладающей большим числом плоскостей скольжения, и склонность к деформации по плоскостям скольжения являются одним из главных факторов, обусловливающих разрушение свинца в мельнице. Другой, не менее важной причиной разрушения свинца являются климатические условия в мельнице (высокие влажность и температура), вызывающие появление многочисленных усталост­ных трещин по плоскостям скольжения, приводящих к ускорен­ному разрушению металла вследствие окисления [7].

Затем готовый порошок из мельниц за счет разрежения поступает в фильтр, а из него транспортируется шнеками в силос-накопитель свинцового порошка [11].

Качество свинцового порошка характеризуется содержани­ем в нём окиси свинца, фракционным составом, строением его зёрен, насыпным весом, влагоёмкостью и цветом порошка.

Насыпной вес, влагоёмкость и цвет порошка во многом за­висят от первых трёх характеристик порошка.

Практически в производстве свинцовый порошок характеризуется этими свойст­вами и окисленностью [11].

Свойства производимого порошка должны соответствовать следующим значениям:

- содержание окиси свинца, % …………………… 65÷75

- насыпная масса свинцового порошка, г/см3……1,3÷1,8

- плотность свинцового порошка, г/см3…………..2,2÷3

Насыпная масса - масса одного кубического сантиметра порошкооб­разных материалов, свободно засыпаемых в определенный сосуд. Насыпная масса свинцового порошка определяется при помощи стального стаканчика. Засыпается стаканчик с помощью прибора волюметра. Порошок постепенно засыпают сверху в воронку прибора. Падая с одной наклонной полочки на другую, порошок разрыхляется и с небольшой постоянной скоростью с высоты в 10 мм наполняет стакан. Свинцовые порошки, содержащие 65÷75% окиси свинца, приме­няются как для положитель­ных, так и для отрицательных пластин [11].

6.3 Приготовление паст

Сущность процесса приготовления паст сводится к смешению рецептурных количеств свинцовых окислов, серной кислоты и воды, производимому в периодически или непрерывно действу­ющих смесителях [11]. В электродную пасту положительного электрода вводят также связующие добавки [5].

За последние годы все больший интерес проявляется к элек­тропроводящим волокнам, применение которых позволяет не только повысить прочность активных масс, но и увеличить их электрическую проводимость. Наибольшее внимание уделяется влиянию графитированных полимерных волокон на свойства актив­ных масс и технологию их получения. Углеродные волокна обладают высокой тепло- и электропро­водностью. Их удельное сопротивление равно 5∙10-6 Ом∙м, плот­ность 2,0 г/см3. Так, например, добавка 0,7 % волокна, приводит к уменьше­нию удельного сопротивления пасты более чем в 2000 раз. При введении углеродного волокна увеличивается механиче­ская прочность паст, что свидетельствует о создании волокнами внутреннего каркаса [2].

Применение волокон также способствует снижению технологического брака в процессе резки пластин [2].

Вода, применяемая в аккумуляторной промышленности, дол­жна быть чистой и не содержать взвешенных частиц. Если вода городской водопроводной сети сильно загрязнена, то ее подвер­гают фильтрации и очистке. Для очистки воды от растворимых в ней примесей солей (NaCl, CaCO3 и пр.) в последнее время приобретают широкое распространение аппараты с ионообменными смолами. Многие органические вещества в дисперсном состоянии обладают свой­ством (будучи сами нерастворимыми в воде) поглощать на сво­ей поверхности в большом количестве растворимые соли, очищая от них воду. Они регенерируются - восстанавливают свою способность к поглощению обработкой растворами кислот или ще­лочей, которые удаляют поглощенные примеси [11].

Количество воды, добавляемой в пасту, ограничено узкими пределами. Если воды мало, паста получается густой, плохо вмазываемой в решетку. Напротив, если воды слишком много, паста становится жидкой, она расползается и также трудно вма­зывается в решетку. Удельный вес пасты и ее пористость связаны с рецептурой и способом ее изготовления. Установлено, что чем больше введено в пасту серной кислоты и воды, тем более пори­стой получается активная масса. Увеличение количества серной кислоты повышает вязкость пасты. Поэтому, изменяя содержа­ние в рецепте пасты кислоты и воды, можно подобрать нужную её консистенцию, пригодную для намазки и дающую необходи­мую пористость в активных массах [11].

С другой стороны, состав пасты существенно влияет на ём­кость и другие характеристики аккумуляторов. Например, по­вышенная пористость пасты для положительных пластин увели­чивает ёмкость аккумуляторов, но сокращает срок их службы. Пористость активных масс автомобильных батарей в заряжен­ном состоянии должна составлять 50% для положительных и около 60% для отрицательных масс. Поэтому для изготовления качественной продукции необходимо в производстве строго со­блюдать принятую рецептуру паст и установленную технологию ее изготовления [11].

Для производства положительных пластин аккумуляторной батареи 6СТ-190 существует следующая рецептура пасты. Данная рецептура приведена из расчёта на 100 кг оксида свинца: Таблица [5].

Таблица № 1 Рецепт пасты положительного электрода

свинцовый порошок	100 кг
раствор H2S04 (1,07 г/см3)	15,0 л
раствор H2S04 (1,40 г/см3)	2,85 л
вода	0—2 л
Волокно(полиэстер)	0,05—0,1 кг

Приготовление паст осуществляется в периодически или непрерывно действу­ющих смесителях. Непрерывно действующие смесители имеют большие габариты и большую производительность, поэтому их использование в проектировании малых и средних производств нерентабельно[2]..

Существует два типа смесителей периодического действия: лопастной и бегунковый [2]. В целях уменьшения трудоёмкости, обеспечения нужной производительности, уменьшения массы и габаритов оборудования, улучшения качества паст лучше будет использовать бегунковый смеситель периодического действия. В бегунковых смесителях в центре массивного стального корпуса вваривается втулка, через которую проходит вал мешалки, вращающийся от двигателя с редуктором через ведущие конические шестерни. На вал насаживается го­ловка, к которой подвешиваются бегуны и на которой крепятся плугообразные скребки.

Загрузка свинцового порошка в смеситель производится через отверстие в крышке по гибкому матерчатому рукаву. При загрузке оксидов необходимо их просеивать для ис­ключения попадания посторонних предметов, которые могут вы­вести из строя смеситель. Для этого на мешалку устанавливается рама с проволочным ситом, через которое загружается свинцовый порошок [2].

Раствор серной кислоты из дозатора поступает в смеситель по трубке через распределитель, устанавливаемый на внутренней части крышки. Через отверстия распределителя серная кислота равномерно разбрызгивается по пасте. Подача необходимого ко­личества серной кислоты в мешалку производится автоматиче­скими дозаторами, в которые кислота поступает с помощью насосов. Между баками и смесите­лями располагаются мерники дозаторов, соединяемые с баками свинцовыми трубами. Емкость мерников составляет 40÷120 л в зависимости от ёмкости смесителя. Каждый мерник имеет два крана: верхний для наполнения кислоты из бака, нижний для слива ее в мешалку. Оба крана открываются электромагнитами и закрываются возвратными пружинами [2]. Бегуны действуют в основном своей собственной тяжестью, катятся по кругу, подминая под себя пасту и отжимая ее к центру и краям барабана.Плугообразные скребки при своем круговом движении отбрасывают пасту под бегуны. Для снятия налипшей на бегуны пасты на них укрепляют ножи, кото­рые соскребают пасту и сбрасывают ее на дно барабана [2]. Выгрузка пасты из бегункового смесителя марки Oxmaster осуществляется путём открытия заслонок в задней части корпуса смесителя при перемешивании.

Таким образом, паста поступает в бункер, а затем в приёмное устройство пастонамазочной машины. Для поддержания температуры, гарантирующей устойчивость добавок в смесителе предусмотрена «рубашка» водяного охлаждения и скруббер для забора образующихся паров [5].

Поскольку часть пасты неизбежно остается в мешалке между лопастями и дном корпуса, необходимо иметь отдельные смеси­тели для положительных и отрицательных паст или тщательно очищать и вымывать смесители перед приготовлением пасты про­тивоположного знака [2].

6.4 Намазка пластин

Качество пластин зависит от характера сцепления пасты с рёб­рами и жилками токоотводов, заполняемости отдельных ячеек пастой, толщины намазанных пластин и количества вмазываемой в токоотводы электродной пасты. Все эти факторы определяются не только физико-химическими свойствами и составом электрод­ных паст, но и подготовительными операциями перед намазкой и самим процессом намазки. На решётках-токоотводах, поступающих на на­мазку, не должно быть копоти, пыли и других загрязнений, нару­шающих контакт (электрический и механический) токоотводов с пастой, что может привести к выпадению активной массы на дальнейших технологических операциях. Для намазки пластин (пастирования) в производственной практике ис­пользуются намазочные машины двух типов: шпательные и лен­точные [2].

Намазочная машина шпательного типа имеет ряд недостатков, а именно: застревание пластин при прохождении шпателей, при­водящее к браку и остановке машины, затрудненность регулировки количества вмазываемой в токоотводы пасты при использовании более плотных паст [2].

Движение пластин в намазочных машинах ленточного типа осуществляется по непрерывной ленте из прорезиненного полотна, обтянутого бельтинг-полотном. Токоотводы с помощью автоматического питателя подаются на движущуюся ленту и, проходя под бункером, пастируются. Толщина намазки пасты регулируется непосредственно под бункером, при помощи регулировочных болтов. Далее намазанные пластины по движущейся ленте по­даются в прокатное устройство. Движение ленты осуществляется приводными валиками, вращающимися от привода прокатного устройства. Избыток пасты при намазке на ленточной машине снимается скребком, находящимся в нижней части автомата.

Кроме того, ленточные машины осуществляют одностороннюю намазку пластин, что не всегда обеспечивает полное заполнение ячеек токоотводов с нижней стороны пластин. Затем пластины из намазочной машины поступают на прокатку. При прохождении пластин между валками происходит отжим влаги из пасты и придание ей определенной плотности, а также улучшение контакта пасты с токоотводами [11].

В процессе сушки намазанных пластин нередко появляются трещины в пасте как в местах контакта с токоотводами, так и внутри ячеек. Устранению трещин в наружных слоях паст в пластинах спо­собствует орошение намазанных пластин разбавленным рас­твором серной кислоты (ρ=1,05 г/см3). В пастонамазочной машине марки optaMAC обработка раствором серной кислоты происходит на валках, покрытых несколькими слоями марли. Такое техническое решение позволяет существенно упростить конструкцию ленточной машины пастонамазки за счёт совмещения операций уплотнения и орошения наружных слоёв [5]. Образовавшийся на поверхности слой сред­него или основных сульфатов свинца хорошо противостоит разрывным усилиям во время объёмных изменений при сушке пластин. При этом в тонком слое сульфатов свинца реализуется практически весь скачок влагосодержания пасты в пластине, в результате чего внутренние слои пасты сушатся при равномерном и слабом изменении градиента влагосодержания по всей толщине пластины [2].

Дальше пластины поступают в туннель быстрой сушки, где подсушиваются при температуре 250-300 0С. Сушка осуществляется за счёт конвективного переноса тепла газовой горелки [5].

Без подсушки они слипаются и при отделении друг от друга паста выдирается из решетки. При подсушке в основном из поверхностных слоев удаляется 10—20% находящейся в ней влаги [11].

Подсушенные намазанные пластины поступают на транспортер укладчика, где осуществляется группировка пластин в пачки по 100 штук. После чего набранная пачка движется по ленточному транспортеру к подъемному столу, с которого робот её снимает и переносит на специальную металлическую паллету. Робот укладывает пачки в 6 рядов по 6 пачек в каждом. Далее паллету с намазанными пластинами снимают с транспортера робота и устанавливают в сушильную камеру [5].

6.5 Сушка намазанных пластин

Для предотвращения вспучивания пасты в ячейках решет­ки, свеженамазанные положительные пластины из свинцового порошка подвергаются сушке [11].

Высушивание почти всех пористых материалов приводит к усадке — уменьшению объёма материала. Удаление влаги из микропор материала приводит к сближению частичек материала друг к другу, уменьшению пор и сокращению объёма самого материала, т. е. к его усадке. Усадка пасты в решетке приводит к растрескиванию пасты или к отрыву и отходу от жилок решетки. Между тем нужно отметить, что в аккумуляторах наличие тре­щин в активной массе пластин на электрические характеристики и на срок службы не сказывается. В процессе работы электродов трещины затягиваются и исчезают . Быстрая сушка пластин при конвейерном способе производ­ства особенно способствует появлению растрескивания пасты в пластинах и её выкрашиванию. Поэтому применяются меры для предупреждения это­го брака. Известны три способа предотвращения пластин от растрес­кивания и выкрашивания [11]:

1) выдержка пластин без высушивания при цеховой температу­ре в течение 2÷3 суток, а затем сушка при любых условиях;

2) кратковременная обработка пластин сразу после намазки в растворах углекислых солей, серной кислоты или ее солей; после такой обработки пластины также могут сушиться при любых условиях;

3) очень медленная сушка, продолжаю­щаяся сутки и более.

Имеется ёще один способ предохране­ния пластин от возникновения трещин в пасте: пластины сушат медленно при пониженных температурах и при повышенной влаж­ности воздуха. При таких режимах сушки усадка материала происходит медленно по всей его массе и направлена в глубь материала, и паста не дает усадочных трещин на поверхности пластин [11].

Такая сушка осуществляется в сушильных печах в две стадии [5]:

1 Дозревание пластин:

- температура в камере…………45 – 55 0С

- влажность в камере…………... 80 – 100 %

- время дозревания…………………….16 ч.

2 Сушка пластин

- температура в камере…………70 – 80 0С

- влажность в камере…………………...0 %

- время сушки………………………….27 ч.

Такой комбинированный метод камерной сушки, в сочетании с подсушкой

при намазке пластин позволяет получать достаточно твёрдые пластины, не склонные к растрескиванию и выкрашиванию.

6.6 Резка и чистка сдвоенных пластин

Сдвоенные высушенные пластины поступают на разделение. Разделение может осуществляться разрубкой или резкой. Так как в проектируемых малых и средних производствах не требуется использования автоматов большой производительности, оптимальным будет применение машины резки. К тому же эта машина сочетает в себе операцию зачистки ушков.

Машины резки представляет собой цепной транспортёр с зацепами, на который сдвоенные пластины попадают при помощи толкателей, и далее в полуавтоматическом режиме разрезаются при помощи дисковых ножей. В этих машинах процесс разделения сочетается с процессом зачистки ушков пластин, при помощи щёток, которые приводит в движение электродвигатель.

Одинарные пластины проходят разбраковку. Пластины прошедшие контроль вручную комплектуются в пачки и укладываются на деревянные паллеты. Паллеты с пластинами накрываются картоном и упаковываются стрейч – пленкой. Паллеты с готовыми пластинами отправляются на склад комплектующих [5].