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超聲波清洗技術在金屬製品行業的應用

作者:白小鴨  來源:www.qyuhr.com  更新時間:2020-07-02 19:02:40  點擊次數:

   超聲波清洗的原理:

  超聲波是一種機械波,超聲波是聲波的一種。人耳能夠聽到的聲波的頻率範圍在16~20000Hz左右,因此頻率高於20kHz的聲波稱為超聲波。通常將超聲波技術的應用分為檢測超聲和功率超聲兩大類。檢測超聲是超聲技術的被動應用,如利用超聲的波動特性采集材料內部信息的超聲無損探傷技術;而功率超聲則是超聲技術的主動應用,如超聲波清洗。
超聲波清洗技術在金屬製品行業的應用
  常規超聲波清洗的主要作用機理,是利用超聲波在液體介質中傳播時,產生的空化效應;空化氣泡在閉和過程中破裂時,形成的衝擊波會在周圍產生上千大氣壓的衝擊壓力,作用在工件表麵上破壞不溶性汙物並使它們分散在清洗液中;另外還表現在以下幾個方麵:
  (1)不破裂的氣體型微氣泡的振動對固體表麵進行擦洗,汙物一旦有縫可鑽,氣泡還會鑽入裂縫中振動,促使汙物層被剝離、脫落。
  (2)空化氣泡本身在振蕩過程中,將伴隨著一係列二階現象發生,如輻射扭力。輻射扭力在均勻液體中作用於液體本身,從而導致液體本身的環流,即聲流(streaming)。作用範圍在μm量級的聲流被稱為微聲流,它可使振動氣泡表麵處在很高的速度梯度和粘滯應力,足以對工件表麵汙物造成破壞並使其脫落。
  (3)超聲空化在固體和液體界麵上產生的高速微射流(microjet)能夠去除或消弱邊界汙層,增加攪拌作用,並加快可溶性汙物的溶解,從而強化化學反應的清洗作用。
  此外,清洗液本身的振動也會極大地促進清洗作用。例如20kHz 、2 W/cm2的超聲波在清洗液中傳播時,它將引起質點的振動位移幅度為1.32μm、速度為0.16m/s、加速度為2.04×105 m/s2、聲壓為2.45×105 Pa。既工件表麵的汙物層每秒鍾受到清洗液2萬次、正負2.45個大氣壓的猛烈衝擊,這還僅是對普通行波場的計算結果——實際上清洗槽中更接近於混聲場,其會使這一衝擊過程更為激烈。
  從化學的角度講,盤條在軋製、鋼絲在熱處理過程中形成的磷皮均屬於高溫氧化皮(950℃﹥T﹥630℃),其成分主要由FeO和部分Fe3O4以及少量Fe2O3組成並由裏及表依次附著在鋼絲表麵。
  由於FeO在H3PO4溶液中的反應速度比Fe3O4和Fe2O3快,因而通過磷皮縫隙滲入的H3PO4在溶解Fe2O3和Fe3O4的同時,會以更快的速度溶解磷皮底層的FeO,其反應式如下:
  FeO + 2 H3PO4 = Fe(H2PO4)2 + H2O
  氧化皮底層溶解後,與鋼絲結合力降低,在超聲波的作用下,很快被剝離和分散
  采用磷酸溶液作為超聲波清洗介質的另一原因緣於磷酸鹽良好的脫脂作用。鋼絲的除鏽、脫脂處理可在超聲波清洗槽中同時進行是其獨具的技術特點。
  綜上所述:磷酸溶液超聲波清洗是清洗與聲促進化學反應的疊加,即利用超聲波能的物理作用強化磷酸清洗液與鋼絲表麵氧化物化學反應的清洗方式。
  2磷酸溶液超聲波清洗的技術特點:
  目前在金屬製品行業中,鋼絲的清洗工序主要采用強酸(硫酸、鹽酸)去除鏽蝕、氧化皮,用強堿脫脂的傳統清洗方式,其主要問題有三:
  (1)強酸清洗造成氫脆及過酸洗等清洗質量問題;
  (2)強酸、強堿在生產及廢液處理過程中造成嚴重的環境汙染問題;
  (3)強酸、強堿清洗方式難以適應鋼絲清洗工序向高效率、低綜合成本、低環境汙染方向發展的趨勢。
  因此,傳統清洗方式越來越難以滿足生產技術進步和社會日益增強的環保需求。磷酸溶液超聲波清洗技術解決了這一難題。
  磷酸超聲波清洗有如下技術特點:
  (1)清洗質量高:磷酸溶液超聲波清洗的主要作用機理是化學反應加超聲剝離,其清洗液配方中的緩蝕劑對磷酸與鋼絲反應的抑製作用不但確保了良好的清洗效果而且不會產生氫脆和過酸洗等清洗質量問題。
  (2)高效節能:磷酸溶液超聲波清洗可同時除鏽、脫脂且其清洗速度大大高於傳統鹽酸、硫酸清洗速度,因而清洗效率高。磷酸溶液超聲波清洗的電裝容量僅為硫酸電解酸洗的二分之一,因而能耗較硫酸電解酸洗低。
  (3)低汙染:磷酸是一種中強酸,揮發性極低,因而磷酸溶液超聲波清洗過程中沒有傳統酸洗方式伴隨的嚴重酸氣汙染問題。目前清洗液中磷酸的回收利用率可達85%以上,配置壓濾機後理論上僅清洗後的衝洗廢水須處理(廢清洗液再生、壓濾後固體廢物排出存放、液體複用),排放廢水經Ca(OH)2中和後很容易達到汙水排放標準,因而采用磷酸溶液超聲波清洗汙染量很低。
  (4)便於操作:實踐證明,超聲波清洗液中工業磷酸濃度由10%—20%變化時清洗效果基本相同,因而其工藝範圍寬、便於現場操作管理。
  (5)綜合成本低環境效益好:使用磷酸溶液超聲波清洗現場環境無酸氣,不腐蝕廠房和設備,排放廢水處理費用低,處理後等級高,不汙染地表水和地下水。
  3磷酸超聲波清洗的應用實例
  現以2000年投產的24線熱處理後展開式磷酸溶液超聲波清洗設備為例介紹如下:
  磷酸清洗液的配方見表1。
  4超聲波清洗設備
  目前適宜金屬製品行業中使用的磷酸溶液超聲波清洗設備有單線型超聲波清洗設備與多線型超聲波清洗設備兩大類,前者用於對單根或雙根熱軋盤條進行拉拔加工前的表麵清洗;後者用於對多根鋼絲進行拉拔加工前或鍍層加工前的表麵清洗。其產品規格與用途見表4 。
  超聲波清洗特別適宜對成品鋼絲加工前的原料進行清洗。
  5製約在金屬製品行業推廣超聲波清洗技術的主要原因
  環保觀念、生產成本、相關技術是三個製約在金屬製品行業推廣超聲波清洗技術的主要原因,其中生產成本與環保觀念密切相關。
  由於磷酸溶液清洗工藝及超聲波清洗設備製作技術的突破,生產成本會逐步降得更低,而且其中已包含了回收費用且未計潛在收益(如提高設備、廠房使用年限的實際收益;保護環境帶來的社會收益等),應當講:這對於年產量大於5000噸、產品利潤率大於5%的規模生產廠家是不難接受的。認為“生產成本高”往往是由於陷入低價位——甚至保本低價位競爭的大多數金屬製品行業生產廠家在應對激烈的市場競爭中不計汙染損失、不計環保費用所致。目前這種“低生產成本”似乎無可厚非,然而其畢竟是以損害健康、破壞環境為代價的。相信隨著觀念的轉變,會有更多的企業接受這項健康、清潔、環保的清洗技術。
  根據已經采用超聲波綜合處理技術的廠家所提供數據,超聲波清洗技術給金屬製品行業帶來的實際效益,遠遠超出超聲波設備的投資。主要表現在以下幾個方麵:
  (1)以熱鍍鋅鋼絲為例,采用超聲波綜合處理技術後由於清洗質量提高,鍍鋅層更均勻,鋅渣減少,可以節省鋅的消耗5~15%。
  (2)由於鍍層均勻,鋅層結合力增加,對於鍍鋅後再次拉拔的情況脫鋅率可以減少20~90%。
  (3)采用超聲波綜合處理技術後生產設備、廠房不受腐蝕,生產環境質量提高,設備、廠房日常維護費用大大降低,使用壽命大大延長。
  (4)采用超聲波綜合處理技術後生產線長度縮短,減少占地麵積,特別是新建設項目還可以節約廠房建設投資。
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