不锈钢阀门超声波酸洗钝化处理


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不锈钢阀门超声波酸洗钝化处理

不锈钢阀门超声波酸洗钝化处理

不锈钢铸件的钝化处理,在常温常压下通常使用的“酸”配比量都很高,酸浓度很大,有的酸洗液配方将各种“酸”加起来其总和高达近50%。利用超声波的空化冲击效应,使酸洗钝化液在超声波波束的推力作用下对铸件的表面形成一连串的密集式爆炸,使酸洗钝化的过程“动”起来,即“钝化”了铸件,又使铸件的表面更光滑、细腻。由于酸洗钝化液“动”起来了,其用酸量和配比浓度大为降低的同时酸洗钝化液的黏滞度也随之大大降低,故而易于沉淀回收处理。资源被充分利用,成本也相应的得到了降低。酸洗钝化过程中的酸腐蚀过度而引起的“废品”问题也因此而基本消除。尤为突出的是“酸雾”弥漫现象得到了一定程度的改善。是应用和开发新科技的一个新课题。

铸件钝化处理是指铸件在特定的化学处理溶液中成膜、沉淀或局部吸附,使铸件的表面的活性点失去活性而呈钝态的过程[1]。铸件酸洗钝化处理过程,以常用的镍铬系列不锈钢而言是:抛丸→冲洗→酸洗→抛丸→冲洗→钝化→冲洗→碱洗→冲洗……热水洗→吹干——这样一个繁杂地程序过程。不管“酸洗“还是“钝化”,其处理过程用酸都是些强氧化剂、强腐蚀剂一类的高危物质,配比量一般都在25%~40%之间[1],有的高达50%[2]。尤为严重的问题是“酸雾”,特别是在配新酸液时其酸雾可让人呛得气都难以喘过来;问题是在处理过程中还易出现“酸腐蚀过度”,甚至报废铸件[1];由于黏滞度的增大,尽管其废酸液里的含酸量还较高,但因处理时间和难度较大,不忍心也得“白白”地倒掉。因此改善或改变这种工艺方法既是企业发展的需要,也更是环保的要求。

1 了解超声波

上述酸洗钝化的化学处理过程,其反应速度和时间的主要影响因素是酸洗液的黏滞度。这在新配的酸洗液里其钝化过程是清晰可见的,初始由黑至墨如云雾翻滚般,至结束钝化时逐渐平缓下来,每洗一批这种速度就每降低一分,整个酸洗钝化时间就要延长一些。随着混浊和黏滞度上升到一定程度酸液就报废。虽然这里面有含酸量的逐步降低的一个过程,但实践总的说明还是黏滞度阻碍了它的反应速度。酸洗钝化反应生成的混浊物或悬浮物能否在较短的时间内沉淀或部分沉淀,保持酸洗液体一个相对的清澈度是决定酸洗钝化液再继续工作的一个重要地条件。因此利用超声波的超声波束的推力效应和超声空化冲击效应[3],可使反应物不沉积覆盖在铸件表面,使铸件接触酸洗液的表面更多更直接;有了超声波的作用可减少酸洗液的酸浓度并易作沉淀处理,使黏滞度得以降低,让酸洗钝化液更清澈些,从而提高了资源的利用率,减少了环境的污染也降低了生产成本。

初识超声波在精铸行业的应用是在超声波的作用下,配以专门的清理剂来清理铸件上的型壳和型芯[4]。因此认识和了解超声波及其功能和作用是本文需要论述的关键。

功率超声波具有超声频率高,波长短、衍射现象不明显,传播直进性好,方向性强,碰到杂质或介质分界面有显著的反射及许多的特有效应等。

超声在传播过程中,会引起质点的交替压缩与伸张,构成了压力的变化,引起机械效应。其质点加速度与超声频率的平方成正比,可超出重力加速度的数万倍,对介质造成强大的机械效应。同时也引起分子间的相对运动,产生摩擦而形成热。

存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,最终崩溃——称之为声空化学。形成声控化需要施加于液体中的声压高于一个最低的幅值,这个最低的幅值称为空化阈。空化阈它与温度、压力、空化核半径、介质中含气量、声强、介质黏滞性、超声波频率等有关。

气泡或空穴炸裂的瞬间将产生一系列的高压、高热和光电等物理效应。设气泡膨胀时的最小半径为R,从膨胀到闭合,发生空化处的局部压力可达上千个大气压。与此同时空化泡破裂时还将产生速度很高(>300m/s)的冲击波。如果作用在固体介质上,会引起蚀点。据试验在功率超声的声场中放一张铝箔,可以观察到大量小孔的形成。

综上所述超声波的功能和作用,有以下几个重点对酸洗钝化铸件的处理工艺和定制设备很重要:

A.超声波声波引发的声空化学及相关的冲击效应;
B.超声在传播过程中引起的摩擦机械效应产生的热能及热能值;
C.空化阈与之相关的温度、压力和介质中的含气量、黏滞度及超声波频率、超声场大小等问题。

2 应用条件和实例

酸洗钝化处理应用超声波,应具备的基本条件和注意事项如下:

超声功率源的选择选用它激式线性放大超声功率源,投资省也能满足基本的酸洗钝化要求。选择超声超音频率28KHz比较适宜,频率过大噪音也大,势必又将引起新的环境治理问题。

针对铸件大小差异较大的状况,超声波的换能器选用“投入式”具有方便、灵活、造价便宜和维修容易等特征。它主要特点是可以根据铸件的形状,很方便的将它摆设到不同的位置,形成底震、侧震、顶震等多种形式的震波源。“投入式超声波震板”它直接工作在酸洗液中,除要耐酸腐蚀还要承受超声震波强烈震动,材料选用钛合金或者镍基合金比较合适。选用304或316L不锈钢板料制作震板还需外裹玻璃钢,虽然造价便宜但它却阻碍了超声波声波的发出,功率因素因此而打折扣。

酸洗槽的材料必须具备耐腐蚀和承受80℃温度下不变形的能力,以避免槽内处理液发生化学反应[3]和由于酸洗槽的变形而引起换能器挂不上去或损坏换能器(超声波震板)。

配备一台微型的蒸汽发生器(室温低于20℃时用)和压缩空气源。

设有足够容量的酸洗液沉淀池,以利更换酸洗池的酸洗液。 

有了超声波“动力”后,就可以大幅度地调整酸洗液的配方了。下表一“酸洗钝化液配方”仅是针对我司生产的镍铬系铸件并结合其特征制定的酸洗钝化液配方(酸洗和钝化没有区分,一种含量的酸液)。

酸洗钝化液配方    配比 (%)
纯剂酸 硝酸 氢氟酸 磷酸
配比 1.5~2 0.5~1 0.2~0.5 其余

需要指出的是,由于酸配比量的大幅度的降低,其量几乎只有原配比量的十分之一,这样酸处理液的沉淀处理也变得轻松、快捷、容易多了。同时相应的工艺流程也要做一些相应的调整。我们规定每工作班次完毕需将酸洗液转入到沉淀池中,进行12小时以上的沉淀处理。新的工作班次前将沉淀好后的旧酸液再转入到超声波酸洗钝化池中。 工作前用精密PH试纸进行酸量的自检(初试)。以PH值在1.5~2.5之间比较合适。低于PH1.5时气味(酸雾)开始变大,感觉有不适反应;以PH2.0时综合指标来看,不论对人体感官和对铸件的钝化效果均为较宜的值。因此补加纯剂酸是现场经检测的工作。清理酸反应沉淀物和管理好这些废酸渣,是场需严格把握的工作。更要求严禁将这些废渣乱倒乱弃,统一管理、集中处理。

“不锈钢清洗剂”是用有机酸+无机酸配制的一种新的钝化液(也叫环保酸),常态下钝化效果也好,PH值也很低(PH值在3左右),人既是不小心接触一下也不会伤及皮肤,但就是气味(含酸味)大了一点,使用寿命也没有用无机纯剂酸配的酸洗钝化液时间长。低浓度无机纯剂酸配的酸洗钝化液,可以通过补加纯剂酸来调整它的酸浓度。经过“沉淀、静置”处理后,沉淀了的只是“渣”(酸的反应物),其酸值没多少变动。补加纯剂酸主要是钝化时的消耗但补加量也很少,只是温度低于20℃时启动蒸汽发生器,由蒸汽带来的水使钝化液中的酸浓度降低追加而已。酸处理液无数次的沉淀是因为无数次的循环,因而纯剂酸的用量被大量地减少了。资源得到了充分地利用,生产成本也相应的得以降低,同时环境污染、特别是空气质量也相应的得以了很大程度的改善。

3 成本效益和工作效率的比较

就镍铬系材质的铸件钝化处理而言,酸洗钝化液常态下的高浓度配比及“环保酸”与超声波作用下的低浓度配比成本比较是相差很大的,见下表二。

表二 不同条件下吨铸件钝化耗酸(电)成本比较

酸洗钝化液用酸项目
消耗量(Kg)
消耗值(元)
说明
 
常态下的配比
50
425
工业酸,均价8.5元/公斤
“环保酸”
 
290
生产此酸的厂家自报
超声波状态下的配比
3
73
纯剂酸,均价15元/公斤;加电费28元

说明:上表成本的比较,仅只针对铸件重量≤15公斤、大小波动较大的硅溶胶精铸企业而言。

就生产效率而言,酸洗钝化的每次时间:常态下的配比酸:新配酸一般需15~25分钟,随着钝化批次的增多时间也要相应地延长,直至一个小时;超声波状态下的配比酸,由于有了“超声”这个“原动力”,加之酸液经过了沉淀处理,其酸液始终保持了一个相对的清澈状态,故而可控制在15~20分钟这样一个时间段内。同时两种酸处理的酸腐蚀过度的状态比较,后者是不可能的,也更不会出现产品的报废。

由上分析超声波使用的低浓度配比酸与常温常态下的高浓度配比酸,仅就使用酸(含电费)这一项来比较,成本下降幅度是很大的。如果按一个年产400吨的精铸企业来计算,一年可节省购酸费用十多万元。更重要的是节能降耗、减少污染和污染治理这一块。至于那点剩下的“废酸渣”,可以集中到中心污染处理站去处理。这样可为企业腾出更多的占地空间,去发展新项目或扩大再生产。

4 结语

超声波的超声“空化冲击”效应、物理效应等是促使酸洗液加速钝化的一种“动力”源,减少了酸处理的时间,同时对光饰铸件还有一定的作用。由此而降低的酸浓度,简化了沉淀处理工作难度和时间,为酸处理液的循环使用,提高资源利用率和减少环境污染提供了一个新的途径。现代企业与环保共存,利用和开发新科技,是精铸产业发展的需要,也是我们的共同责任。

文 /  阳海清 吴旭承 钟红刚

参考文献

[1] 中国铸造协会,熔模铸造手册[M],北京:机械工业出版社,2000.
[2] 陈天玉,不锈钢表面处理技术[M],北京:化学工业出版社,2008.
[3] 张光明,常爱敏,张盼月,超声波水处理技术[M],北京:中国建筑工业出版社,2006.
[3] 陈冰,美、欧精铸技术十年回眸[J],中国铸造协会精铸分会出版,2004.

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