Практическое применение ультразвука для очистки и обезжиривания металлических поверхностей
Цветная металлургия № 8, 2003 г.
УДК 622.777/778
Среди технологических процессов, протекающих в жидких средах с воздействием ультразвука, очистка поверхности твердых тел получила наибольшее применение[1][2][3]. Ультразвук широко используют для очистки стальной ленты, фильтров, форсунок, алюминиевой и медной проволоки, кабеля и др. Введение ультразвуковых колебаний в моющие растворы позволяет не только ускорить процесс очистки, но и получить высокую степень чистоты поверхности, а также исключить пожароопасные и токсичные растворители.
Эффективность ультразвуковой очистки зависит от выбора многих параметров, в том числе физико-химических свойств моющей жидкости. Для правильного выбора растворов также необходимо учитывать характер загрязнений: степень их адгезии к очищаемой поверхности, химическое взаимодействие с моющим раствором, кавитационную стойкость.
Успешное проведение процесса ультразвуковой очистки возможно лишь при использовании основных эффектов, возникающих в ультразвуковых полях; звукового давления, кавитации, акустического течения, звукокапиллярного эффекта, радиационного давления. Из вышеперечисленных эффектов наибольшее влияние на процесс очистки оказывает ультразвуковая кавитация. Микроударное воздействие захлопывающихся пузырьков способствует разрушению окалины и загрязнений, обладающих высокой адгезией к поверхности, а пульсирующие пузырьки проникают под пленку загрязнений (окалины), отслаивая ее и ускоряя процесс очистки[1].
К основным параметрам ультразвуковой очистки относятся выбор растворов и температурный режим обработки. При этом характер поверхностных загрязнений определяется по следующим признакам:
- способности противостоять микроударному действию кавитации, т. е. по тому, является ли поверхностная пленка кавитационно-стойкой или кавитационно-нестойкой. В тех случаях, когда кавитационная стойкость загрязнений выше кавитационной стойкости материала, во избежание повреждения очищаемых деталей ультразвуковую очистку применять не рекомендуется;
- прочности связи пленки загрязнения с очищаемой поверхностью. По этому признаку подбирают продолжительность воздействия ультразвука и его интенсивность;
- химическому взаимодействию загрязнения с моющей жидкостью, т. е. позволяет определить возможность растворения загрязнений в моющих растворах.
Для водных растворов технических моющих средств (ТМС) оптимальной является температура 40—60 °C. При более низкой температуре снижается химическая активность раствора, а при более высокой — повышается упругость пара внутри кавитационной полости, что приводит к снижению интенсивности кавитационного воздействия.
Из [1] известно, что рабочие частоты порядка 18—44 кГц соответствуют оптимальным условиям формирования кавитационной области — главного фактора, определяющего эффективность очистки. Согласно [2], для очистки металлической поверхности можно использовать ультразвук частотой 20—30 Гц. Исходя из этого, в производстве ООО «Александра-Плюс» используются пьезокерамические излучатели с резонансной частотой 22±1 кГц. Количество излучателей и моющие растворы подбираются с учётом поставленных задач.
Ниже приведены примеры использования ультразвука для очистки и обезжиривания металлических поверхностей. Большая часть экспериментальных работ нашла свое внедрение на промышленных предприятиях.
На ОАО «Северсталь» удаление жировых и механических загрязнений с поверхности холоднокатаной полосы на АГНЦ производится нагретым раствором ТМС «БФК». При увеличенном содержании на полосе загрязнений происходит недостаточная очистка поверхности металла в химическом узле, что приводит к отсортировке отпасованного листа по дефектам «непроцинковка», «шероховатость», «нашлеп», «крупа».
Предварительные лабораторные исследования показали улучшение степени очистки с применением ультразвука на 20—30 %.
Для увеличения эффективности очистки принято решение об использовании ультразвуковой установки в ванне химического обезжиривания в растворе ТМС «БФК». Полоса обрабатывается ультразвуком с двух сторон: сверху и снизу. Скорость движения ленты — до 2,5 м/с. Расстояние от излучателей до полосы — около 40 мм.
Анализ результатов по отработке технологии ультразвуковой очистки в условиях ОАО «Северсталь» показал следующее:
степень очистки от остаточных жировых загрязнений при использовании в ванне химического обезжиривания ультразвука в 1,5—2,2 раза выше, чем без использования его; степень очистки от остаточных механических загрязнений соответственно в 1,1—1,4 раза выше; количество отбракованного металла по дефектам цинкового покрытия существенно снизилось.
Выпускаемая ОАО «Завод сварочных материалов» (г. Березовский, Свердловская обл.) стальная лента 08кп для производства порошковой сварочной (наплавочной) проволоки содержит механические загрязнения и остатки консервационной смазки, что приводит к образованию дефектов наплавки при использовании проволоки.
Очистка ленты осуществляется в ультразвуковой ванне с тремя или четырьмя пьезокерамическими излучателями. В качестве моющего раствора используются щелочные ТМС с рН >10 Температура раствора — 60—70 °C. Скорость протяжки ленты на волочильном стане — 1—2 м/с.
После прохождения ленты через ультразвуковую установку и последующего отжима воды остатки консервационной смазки на ленте не обнаружены (визуальный контроль и тест на смачиваемость поверхности). Для полного удаления с поверхности ленты механических загрязнений рекомендовано встроить в линию промывку горячей водой.
На ЗАО «Вагоностроительный завод» (г. Тверь) используется стальная лента марки 08кп с пылевидными аморфными механическими и маслянистыми загрязнениями. При изготовлении изделий с применением данной ленты в ходе сварочных работ происходит обильное дымообразование.
Для промывки ленты использовали раствор щелочных ТМС с рН 8—10. Температура раствора — 50—60 °C.
При ультразвуковой промывке в течение 3—5 с происходит полное обезжиривание поверхности ленты, что исключает дымообразование при дальнейших сварочных работах.
В лаборатории ООО «Александра-Плюс» проведены опытные работы, по ультразвуковой промывке листового металла перед покраской для ОАО «Вологодский электромеханический завод. В качестве моющей жидкости использовали ТМС «Грин Юниклин».
Для выявления эффективности ультразвуковой обработки промывка производилась с применением ультразвука и без него при одинаковых прочих условиях (температура раствора, время промывки, концентрация раствора). Часть образцов дополнительно промасливалась для выявления качества обезжиривания поверхности.
После обработки образцы были покрашены и испытаны на адгезию (прочность сцепления краски с металлом) по 2-му и 4-му методам ГОСТ 15140-78 (нанесение сетки и на отлип).
Качество адгезии после ультразвуковой промывки оценено 1 и 2 баллами (отлично и хорошо).
Ультразвуковая очистка также может применяться для осветления алюминиевой проволоки и медного кабеля.
Установка ультразвуковой очистки на ОАО «Камкабель» встроена в линию эмалирования прямоугольной медной проволоки на выходе из печи отжига для охлаждения проволоки и удаления с ее поверхности загрязнений типа оксидов меди, медной пыли от волочения и остатков волочильной эмульсии перед нанесением лакового покрытия. Выбор этой проволоки для очистки не случаен, ибо прямоугольные провода из-за сложного профиля имеют наиболее нестабильные характеристики по электрической и механической части.
В качестве моющего раствора используется техническая вода с температурой 20 °C.
Проведенные испытания проводов, изготовленных с использованием ультразвуковой промывки, показали стабильные значения электрической прочности и отличную адгезию лака к проволоке: при испытаниях на истирание провода иглой при норме 50 двойных ходов на отдельных образцах они доходили до 500.
Установка ультразвуковой, очистки проволоки на ООО «Сычевский электродный завод» размещена на волочильном стане перед последней операцией волочения для устранения металлической пыли, мыльной обмазки, графита.
Скорость перемещения проволоки — до 200 м/мин. Промывка осуществляется в щелочном ТМС с добавкой поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Результаты промывки соответствуют предъявленным требованиям. Кроме того, полностью устраняется пробуксовка подающих роликов при обмазке электродов, в результате чего существенно уменьшаются отклонения по наплывам обмазки. Улучшается адгезия обмазки электродов, что приводит к уменьшению сколов.
В лаборатории ООО «Александра-Плюс» проведены исследования по очистке алюминиевой проволоки и стальной проволоки с цинковым покрытием производства ОАО «Кирскабель».
Технологические загрязнения проволоки из сплава 6201, получаемые в процессе волочения, состоят в основном из технологической смазки и металлической пыли. Состав смазки: вапор, синтетический жир, слюда, сера. Загрязнения алюминиевой проволоки марки А5Е Состоят их технологической смазки — топочного мазута, металлической пыли и других производственных загрязнений.
Ультразвуковая промывка производилась в щелочных водных растворах при температуре 60—70 °C.
В результате проведенной работы установлено, что применение ультразвука в промывочных операциях обеспечивает быструю и качественную очистку проволоки от технологических загрязнений.
ОАО «Иркутсккабель» предоставило для лабораторных испытаний образцы алюминиевой проволоки, с которой необходимо удалить остатки смазки после процесса волочения.
Для промывки использовали водный раствор щелочных ТМС. При температуре раствора 60—70 °C и времени обработки 1—3 с проволока полностью осветляется.
Ультразвук позволяет интенсифицировать процесс травления, что было использовано в очистке щелевых форсунок водовоздушного охлаждения для линий непрерывной разливки стали.
В процессе работы при повышенной температуре щелевые форсунки для водяного охлаждения металла зашлаковываются карбонатами, присутствующими в воде, а также карбонатами и оксидами железа. Ha предприятиях очистка форсунок производится механическим путем, что является весьма трудоемкой операцией.
Предложено применять ультразвук для ускорения процесса очистки.
В качестве травильного раствора использовали раствор кислот. Для сравнения проводили травление без использования ультразвука.
Скорость травления с использованием ультразвука в 5—6 раз выше, чем без него. В течение 5—15 мин происходит полная очистка форсунки. Без наложения ультразвука очистка происходит а течение нескольких часов.
Ультразвук находит применение также для очистки электродных стержней, не прошедших термическую о6работку. Очистка электродных стержней необходима для повторного их использования для изготовления электродов. После предварительной обдирки, обмазки механическим способом на поверхности стержней остаются трудноудаляемые остатки. С целью их удаления возможно применение ультразвука.
В процессе исследовательской работы установлен следующий наиболее оптимальный режим для удаления остатков обмазки: температура раствора — 55—60 °C; продолжительность обра6отки ультразвуком — 10—15 мин.
Также с использованием ультразвука с электродных стержней можно удалять коррозию. Очищающая среда — кислотный раствор ТМС.
Ультразвук находит применение и при промывке авиационных фильтроэлементов. Разработано рабочее место для мойки фильтроэлементов (РМПФ) для ОАО «Вологодское авиационное предприятие».
Промывка фильтроэлементов осуществляется по технологии, принятой на предприятий. Качество мойки фильтроэлементов на РМПФ удовлетворяет Инструкции по очистке фильтроэлементов и фильтропакетов в условиях эксплуатации и ремонта авиационной техники № 63 (в 5-й редакции).
Установка находится в эксплуатации с 2001 г. Проектируется подобная установка для Череповецкого авиаотряда ОАО «Северсталь».
Вышеперечисленные примеры доказывают эффективность применения ультразвуковых колебаний для интенсификации процессов промывки и обезжиривания поверхности металла, а также для ускорения процессов травления.