Оборудование для ультразвуковой очистки поверхности металлов

Металлургическая и горнорудная промышленность, научно-технический и производственный журнал, № 3 (237) 2006 г., с. 84—87, НИИ Укрметаллургинформ, Днепропетровск, Украина

УДК 620.197

Лебедев Н. М., Жирнова Т. Н. Филичев О. А. (ООО «Александра-Плюс»)
Штакельберг А. Л. (ООО «Техноконт»)

В статье сделан обзор последних моделей современного оборудования для ультразвуковой очистки, разработанное ООО «Александра-Плюс». Особое внимание уделено технологическим установкам проходного типа, применяемых для подготовки поверхности проката и проволоки перед нанесением покрытия. Приведены технические характеристики оборудования и указаны конкретные примеры использования на металлургических и метизных предприятиях. Ил. 3. Табл. 3. Библиогр.: 7 назв.

ультразвуковая очистка, ультразвуковые технологии, ультразвуковое оборудование, подготовка поверхности, ультразвуковая обработка жидкости

В связи с тем, что промышленность ставит задачи по защите изделий от воздействий окружающей среды, а также в связи с повышением требований к внешнему виду, на предприятиях по производству металлопродукции увеличивается доля продукции с нанесенными защитными покрытиями. Качественное нанесение защитного покрытия (медного, цинкового и др.) на металлическую поверхность возможно при определенной ее подготовке, которая заключается в очистке поверхности от остатков консервационной, волочильной или других видов смазки, смазочно-охлаждающих жидкостей, солевых налетов, механических загрязнений, продуктов коррозии металла.

Очистка — это совокупность ряда сложных физических и химических процессов. Чаще всего очистка поверхности проводится в моющих средах. Моющие среды должны обладать высокой химической активностью, эффективно разрыхлять, разрушать или растворять пленки загрязнений, которые представляют собой нежелательное вещество на поверхности очищаемого объекта. В то же время жидкость должна обладать антикоррозионными свойствами, так как подготовленные к нанесению покрытий изделия хранятся в течение некоторого времени в условиях, далеких от идеальных. Для повышения качества промывки необходимо «возбуждать» жидкость для очистки. Подобные «возбуждающие» явления возникают в жидкости при воздействии на нее ультразвуковых колебаний.

При ультразвуковой обработке способ удаления загрязнений основан на использовании явлений, возникающих в жидких средах при возбуждении в них интенсивных упругих колебаний высокой частоты. Особенно важно такое явление как кавитация — захлопывание газовых пузырьков, образующихся при сжатии и расширении жидкости. Причиной исключительной эффективности кавитации является то, что захлопывание пузырьков начинается у очищаемой поверхности. Кавитация сопровождается возникновением очень высоких мгновенных гидростатических давлений, которые отрывах прилипшие к поверхности металла частицы загрязнений.

Источниками ультразвуковых колебаний в настоящее время в основном являются пьезоэлектрические преобразователи, изготавливаемые из пьезокерамики на основе цирконата-титаната свинца При воздействии знакопеременного напряжения на пьезокерамическую пластину она начинает совершать колебания, особенно интенсивные на определенной резонансной частоте. Передача ультразвуковых колебаний в раствор осуществляется излучателями, которые имеют определенные размеры и форму для создания необходимых условий возникновения кавитации и, как следствие, улучшения качества очистки.

Из практики известно, что наиболее эффективными для очистки поверхностей являются ультразвуковые колебания частотой 18÷25 кГц. Этот диапазон частот обеспечивает нужную кавитацию при наибольшей удельной мощности, экономичен и находится за пределами слышимости человеческого yха.

ООО «Александра-Плюс» является разработчиком и изготовителем ультразвуковых излучателей на основе пьезокерамических преобразователей с собственной резонансной частотой 22±1 кГц. Форма излучателя и его размеры определяются расчетом. Потребляемая мощность одного излучателя не более 100 Вт, что вместе с высоким коэффициентом полезного действия (90÷95 %) ультразвукового генератора собранного на электронных микросхемах, позволяют достичь удельной акустической мощности 2,0÷2,5 Вт/см². Такой величины мощности достаточно для наступления в растворе интенсивных кавитационных явлений. Увеличение мощности при той же частоте в основном не приводит к изменению параметров очистки.

Для более полной передачи ультразвуковых колебаний в моющий раствор ультразвуковые излучатели изготовлены из нержавеющей стали и вынесены непосредственно в рабочий объем жидкости для того, чтобы в рабочей зоне не было т.н. «мертвых зон», расстояние между излучателями выбрано, исходя из длины волны ультразвуковых колебаний жидкости. Также установлено, что для качественной очистки поверхности в каждый литр моющей жидкости следует вводить не менее 10 Вт ультразвуковой энергии. Вышеперечисленные факторы делают оборудование, производимое ООО «Александра-Плюс», одним из самых эффективных в плане очистки поверхности среди подобного производимо оборудования как в России, так и за рубежом.

Одной из основных задач в производстве изделий с покрытием (цинковым, медным и др.) является предварительная подготовка поверхности, т.е. удаление механических и жировых загрязнений. В противном случае возможно появление дефектов покрытий (отслаивание, шероховатость и др.).

На ОАО «НЛМК» специалистами ООО «Александра-Плюс» введена в эксплуатацию установка ультразвуковой очистки (рис. 1), встроенная в агрегат непрерывного обезжиривания на линии горячего цинкования холоднокатаной полосы. Технологический процесс с использованием ультразвуковой очистки позволил снизить остаточное содержание механических и жировых загрязнений до 98 % от исходного уровня (с 500÷1000 мг/м² до 10÷15 мг/м²). Одновременно с уменьшением остаточной загрязненности уменьшилось количество остановок линии на чистку печных роликов в 1,5÷1,7 раза. Дефектов по нанесению цинкового покрытия со времени введения установок ультразвуковой очистки не обнаруживается.

До внедрения ультразвуковых установок для очистки поверхности при повышенном (свыше 1000 мг/м²) содержании на стальной полосе загрязнений в узле химической очистки происходило недостаточное снижение остаточных загрязнений, что приводило к отсортировке оцинкованного листа по дефектам. Применение ультразвуковой очистки позволило уменьшить остаточные загрязнения на поверхности металла до 10÷15 мг/м², а на отдельных партиях металла остаточных загрязнений применяемыми методами контроля не обнаружено.

Данный процесс очистки возможно распространить и на нанесение покрытий различного вида на крепежные изделия, проволоку и др. на стадии подготовки поверхности в сочетании с химическим методом очистки.

Ультразвуковую очистку крепежных изделий можно проводить с использованием одной из серийных разработок ООО «Александра-Плюс». Это «Рабочее место ультразвуковой очистки деталей модели УЗВ-4-Н-Т» (рис.2); защищено патентом на промышленный образец в 2004 г. Эта ультразвуковая установка предназначена для очистки и обезжиривания мелких деталей, таких как крепежные изделия, распылители, форсунки, подшипники и т. п. Более 10 подобных установок эксплуатируются в локомотивных депо Северной железной дороги от Печоры до Иваново, а также на судоремонтных предприятиях (ООО «Дело», г. Мурманск).

Для очистки более крупных деталей предназначено «Рабочее место ультразвуковой очистки деталей модели УЗВ-7-Н-Т» (ТУ 3444-005-52036912-2005) с объемом рабочего пространства около 50 литров. Также разработано «Рабочее место ультразвуковой очистки деталей модели УЗВ-12-Н-Т» для крупногабаритных деталей.

Разработана установка очистки сварочной проволоки проходного типа (однонитьевая) от консервационной смазки. Подобные установки введены в эксплуатацию на ЗАО «Завод сварочных материалов», г. Березовский, ОАО «Уралхиммаш», г. Екатеринбург, ОАО «Элком», г. Комсомольск-на-Амуре и др.

На ЗАО «Сычевский электродный завод» введена в эксплуатацию подобная установка ультразвуковой очистки проволоки для производства электродов. Оборудование встроено в волочильный стан перед последней операцией волочения для очистки проволоки от металлической пыли, мыльной обмазки, графита перед нанесением обмазки. Скорость перемещения проволоки — до 200 м/мин. Для промывки используются щелочные моющие средства с добавками поверхностно-активных веществ (ПАВ) и ингибиторов коррозии.

Ультразвуковые установки разрабатываются с учетом оптимальных параметров ультразвуковых генераторов и излучателей в комплексе с подбором необходимого моющего раствора. В качестве моющих растворов используются самые современные разработки предприятий химической промышленности (Белгород, Буй, Москва, Санкт-Петербург) и научных организаций (ИФХРАН). Габаритные размеры выбираются таким образом, чтобы была возможность встраивания установки в действующий технологический процесс и зависят только от количества используемых ультразвуковых излучателей. Установки мобильные, т.е. имеется возможность перестановки их в другие необходимые технологические линии.

В апреле и сентябре 2004 г. сданы в эксплуатацию две многонитьевые (125 ниток) установки очистки проволоки (рис. 3) для российско-германского предприятия «Беа-РУС» (Московская область). Предприятие производит крепеж для мебельной промышленности. Внедрение ультразвуковой очистки позволило уменьшить расход клея и повысить качество изделий.

Для специальных процессов, когда требуется особо чистая проволока, например, при сварке титановой или молибденовой проволокой, обществом разработана «Установка промывки сварочной проволоки», состоящая из ванны ультразвуковой промывки, ванны ультразвукового ополаскивания, устройства протяжки проволоки и шкафа управления. Удаление масляно-графитовой смазки исключает пористость сварных соединений.

В ближайшее время планируется запустить установку ультразвуковой очистки проволоки на ОАО «Запорожский сталепрокатный завод», которая встраивается в действующую линию цинкования. В состав установки входят ванна ультразвуковая, бак подготовки раствора, ванна горячей промывки, ванна холодной проточной промывки и шкаф управления. В перспективе планируются работы по промышленному внедрению меднения стальной проволоки с использованием ультразвука. Работы, проведенные в лабораторных условиях показали, что с применением ультразвука улучшается качество покрытия, увеличивается толщина покрытия, уменьшается размер зерен покрытия, возрастает его адгезия и плотность.

Вместе с подготовкой поверхности к нанесению покрытий в производстве часто возникает задача приготовления различных растворов из трудносмешивающихся компонентов. В этом случае ультразвуковая обработка позволяет получить стабильные эмульсии, которые не расслаиваются в течение необходимого времени (от нескольких минут до нескольких месяцев). При помощи ультразвуковой обработки в лабораторных условиях получена практически не расслаиваемая эмульсия олеиновой кислоты в воде; эмульсия керосина, применяемая во флотационных процессах и т. п.

Использование в качестве моющих растворов водо-растворимых соединений в сочетании с ультразвуковой обработкой позволяет получить хорошее качество поверхности и исключить токсичные и легковоспламеняющиеся растворители (бензин, дизельное топливо, фреоны), что немаловажно для экологической чистоты производства. Выводы

При подготовке поверхности металла к последующим технологическим операциям необходимо применять комплексный подход, основанный на выборе свойств моющего раствора и применении ультразвукового возбуждения.

Предварительное изучение действующей технологии очистки позволяет более рационально использовать современные моющие средства в сочетании с ультразвуковым воздействием не только на моющий раствор, но и очищаемый объект.

При проектировании оборудования предпочтение следует отдавать ультразвуковым установкам проходного типа, которые легко встраиваются в действующее технологическое оборудование металлургических и метизных заводов. Применение такого оборудования при малых капитальных затратах позволяет существенно повысить производительность процесса при одновременном повышении качества выпускаемой продукции.

Библиографический список

  • Ультразвуковая технология / Под ред. В. А. Аграната. — М.: Машиностроение, 1974. — 503 с.
  • Бергман Л. Ультразвук. М.: Машиностроение, 1957. — 576 с.
  • Основы физики и техники ультразвука / Б. А. Агранат, М. Н. Дубровин, Н. Н. Хавский, Г. И. Эскин. М., 1987. — 347 с.
  • С. Спринг Очистка поверхности металлов. М., 1966. — 349 с.
  • Л. Я. Попилов Ультразвуковая интенсификация очистки и гальванических процессов. М.: Судпромгиз, 1962. — 263 с.
  • Лебедев Н. М., Жирнова Т. И., Саутин А. Г., Воронин О. В. Использование ультразвука при производстве метизов. Метизы. Специализированный журнал. — 2003. — 3(04). — С. 51-53.
  • Лебедев Н. М., Жирнова Т. И., Саутин А. Г., Воронин О. В. Ультразвуковой метод подготовки металлов к нанесению защитных покрытий. Коррозия: материалы и защита. — 2005. — № 6. — С. 46-48.

Поступила 27.02.06

Таблица 1. Технические характеристики рабочих мест
Объем ванны, л 20—300
Температура моющей жидкости, не более, °C 80
Частота ультразвуковых колебаний, кГц 22
Мощность одного излучателя, кВт 0,1
Количество излучателей 4—12
Мощность нагревателя (ТЭН), кВт 2—4
Режим подогрева автоматический
Режим работы повторно-кратковременный
Таблица 2. Технические характеристики установки ультразвуковой очистки проволоки
Ванна ультразвуковая:
Напряжение питания, Вт (Гц) 380 (50)
Количество излучателей, шт. 2
Рабочая частота ультразвуковых колебаний, кГц 22±1
Мощность одного излучателя, кВт 0,1
Габаритные размеры (L × B × H), мм 796 × 600 × 1000
Объем ванны, л 10
Режим работы постоянный
Установка очистки раствора:
Объем моющего раствора, л 210
Количество ТЭНов, шт. 1
Мощность одного ТЭНа, кВт 5
Электронасос, тип 50МС УХЛ4, шт. 1
Потребляемая мощность насоса, кВт 0,18
Габаритные размеры (L × B × H), мм 1000 × 600 × 530
Шкаф электрооборудования:
Габаритные размеры (L × B × H), мм 400 × 250 × 600
Таблица 3. Технические характеристики многонитевой установки ультразвуковой очистки проволоки
Напряжение питания, В (Гц) 220 (50)
Потребляемая мощность установки, кВт не более 12
Режим работы постоянный
Габаритные размеры установки, мм 1200 × 1400 × 1220
Габаритные размеры шкафа управления, мм, не более 620 × 370 × 870
Ванна ультразвуковая:
Количество излучателей, шт. 15
Рабочая частота ультразвуковых колебаний, кГц 22±1,65
Объем рабочей жидкости, л, не более 50
Габаритные размеры ванны, мм 1200 × 600 × 412
Модуль очистки раствора (воды):
Объем моющего раствора, л, не менее 200
Температура моющего раствора, °C 60÷70
Количество ТЭНов, шт. 2
Мощность ТЭНа, кВт 4

Рис. 1. Установка ультразвуковой очистки холоднокатаной полосы

Рис. 2. Рабочее место ультразвуковой очистки деталей модели УЗВ-4-Н-Т

Рис. 3. Многонитевая установка ультразвуковой очистки проволоки