Способ очистки поверхности металлического изделия

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в прокатном и метизном производствах для очистки поверхности изделий, в частности перед последующей холодной прокаткой или волочением, а также с целью подготовки поверхности перед нанесением покрытий. Способ очистки поверхности металлического изделия включает непрерывную подачу электролита на очищаемую поверхность и создание разности потенциалов между изделием и электродом для образования парогазового слоя на поверхности изделия согласно условию, определяющему границы области очистки от возникновения коммутации парогазового слоя микродуговыми разрядами до перехода процесса очистки в процесс нагрева. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в прокатном и метизном производствах для очистки поверхности изделий, в частности перед последующей холодной прокаткой или волочением, а также с целью подготовки поверхности перед нанесением покрытий.

Известен способ электрического обезжиривания металлов на катоде в щелочных растворах, заключающийся в том, что очистку поверхности осуществляют при плотностях тока 800-1000 А/дм² и напряжении 90-180 В. При этом в качестве электролита в процессе очистки используют 3-2%-ные растворы поташа, кальцинированной соды, поваренной соли [1] Недоcтатком предлагаемого способа является прежде всего некорректность его определения применительно к случаю очистки поверхности. В широком интервале предложенных для осуществления способа значений напряжений, плотностей тока и концентраций электролита возможна реализация очень большого числа конкретных режимов, каждый из которых представляет собой совокупность конкретных параметров, в том числе, напряжения, состава и концентрации электролита, расхода электролита, межэлектродного зазора и др. Процесс же очистки при повышенных напряжениях и плотностях тока характеризуется, с одной стороны, возможностью возникновения коммутации парогазового слоя на очищаемой поверхности изделия микродуговыми разрядами, что принципиально изменяет характер очистки, повышая ее производительность и качество, а с другой стороны, возможен переход от очистки к нагреву и окислению поверхности. Таким образом, процесс очистки может существовать только в пределах вполне определенной области режимов, которые однозначно определяются совокупностью вышеперечисленных параметров. Изменение хотя бы одного из этих параметров смещает положение конкретного режима в области очистки, а так как результатом таких смещений может быть приближение к границам области очистки или выход за ее пределы, то отсутствие в формулировке способа порядка установления взаимно однозначного соответствия между параметрами при задании конкретного режима приводит к тому, что при реализации данного способа будет иметь место и нагрев поверхности с последующим окислением, и некачественная очистка.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ очистки металлической поверхности в электролите, не взаимодействующем с загрязнением и самим металлом, включающий непрерывную подачу электролита на поверхность изделия и создание разности потенциалов между изделием и электродом для образования парогазового слоя на поверхности изделия. При этом величину напряжения предлагается поддерживать в пределах ±10 В от того значения, при котором достигается стабильное значение тока [2] Недостаток данного способа заключается в том, что предложенная величина напряжения практически соответствует граничному значению перехода от очистки к нагреву, что резко снижает стабильность процесса и возможность получения качественной очистки. Условие образования сплошного парогазового слоя на всей поверхности соответствует существенному превышению напряженности электрического поля критического значения, когда электролит полностью оттесняется паром от поверхности. При этом малая теплопроводность пара резко снижает теплоотдачу и способствует развитию интенсивного нагрева и окисления поверхности. Величина потенциала, при котором достигается стабильное значение тока, соответствует верхней границе области очистки, так как внутри области величина тока пульсирует вследствие неупорядоченного характера возникновения и исчезновения микродуговых разрядов. Предложенный диапазон изменения напряжения в пределах ±10 В является в данном случае недостаточным для принципиального изменения характера процесса.

В основу изобретения положена задача разработать способ очистки поверхности металлических изделий, обеспечивающий стабильную и качественную очистку в различных по составу и концентрации электролитах путем определения необходимого уровня межэлектродного напряжения в зависимости от уровня напряженности электрического поля в парогазовом слое на очищаемой поверхности изделия.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе очистки поверхности изделия, заключающемся в непрерывной подаче электролита на очищаемую поверхность и создании разности потенциалов между изделием и электродом для образования парогазового слоя на поверхности, согласно изобретению, величину межэлектродного напряжения определяют в зависимости от уровня напряженности электрического поля в парогазовом слое на очищаемой поверхности изделия согласно условию U_кр ≅ U< 1,8U_кр, где U_кр напряжение возникновения коммутации парогазового слоя у очищенной поверхности микродуговыми разрядами, В. Причем для определения U_кр предлагается зависимость U_кр= 6,2· где λ коэффициент теплопроводности электролита, Вт/м˙К; σ_н начальная удельная электропроводность электролита, Ом^-1˙см^-1; α температурный коэффициент, К^-1 (для растворов кислот α0,0164 К^-1; щелочей, α0,0190 К^-1; растворов солей α0,0220 К^-1); 6,2 коэффициент, учитывающий неравномерное распределение напряженности поля в межэлектродном зазоре; d толщина парогазового слоя у поверхности, м; l величина межэлектродного зазора, м.

Отличительный признак, характеризующий определение величины межэлектродного напряжения в зависимости от уровня напряженности электрического поля в парогазовом слое согласно условию U_кр≅ U< 1,8U_кр не известен из известного уровня техники.

Определение вышеуказанного параметра обеспечивает режимы стабильной и качественной очистки, так как в каждом конкретном случае реализации позволяет установить границы области коммутации парогазового слоя микродуговыми разрядами и условие перехода от процесса нагрева к очистке.

Сущность возникающих в заявляемом способе очистки физических явлений заключается в следующем. При протекании тока через границу электролит-поверхность вблизи нее развиваются процессы электролиза раствора, которые сопровождаются образованием парогазового слоя на поверхности. При катодной поляризации очищаемого металла этот слой состоит из паров электролита и газообразного водорода. При определенном (критическом) значении напряженности поля происходит коммутирование этого слоя микродуговыми разрядами по границам газовых пузырьков. Процесс коммутации разрядов является незавершенным пробоем, так как при нагреве пара от канала разряда пузыpьки схлопываются, разряд гаснет и к поверхности изделия подводится новая порция раствора, которая опять разлагается на ионы под действием поля с образованием газа и пара. Таким образом, в зоне действия поля на границе электролит-поверхность существует слой хаотически гаснущих и вновь возникающих микродуговых разрядов. Под воздействием разрядов происходит удаление материала с поверхности катода. Таким образом, поверхность металла подвергается комплексному воздействию: электрохимическому (выделение водорода), тепловому (испарение перемычек), кавитационному (образование и захлопывание парогазового слоя) и электроэрозионному (возникновение импульсных разрядов). Такое воздействие является наиболее эффективным с точки зрения производительности процесса очистки и ее качества. Критическое значение напряженности электрического поля, при котором возникает коммутация парогазового слоя микродуговыми разрядами определяет нижнюю заявляемую границу области плазменной очистки в электролите. Верхняя заявляемая граница определяется переходом от очистки к интенсивному нагреву поверхности вследствие увеличения плотности парогазового слоя и резкому ухудшению отвода тепла от поверхности.

Возникновение микродуговых разрядов является результатом перегревной неустойчивости в объеме проводящей среды, находящейся во внешнем электрическом поле. Существенным обстоятельством, приводящим к неустойчивости, является зависимость удельной электропроводности электролита от температуры. Отсюда следует, что критическая напряженность электрического поля может быть выражена через соотношение теплофизических и электропроводных свойств электролита при конкретной температуре, составе и концентрации. Кроме того, между напряженностью и толщиной парогазового слоя существует обратно пропорциональная зависимость. Вышеприведенные соображения, а также то обстоятельство, что в практическом отношении, в частности, при установлении конкретного режима очистки задаваемым параметром должно быть межэлектродное напряжение, целесообразно выразить это напряжение через напряженность и величину межэлектродного зазора с учетом неравномерного распределения напряженности внутри зазора. Как результат, величину межэлектродного напряжения, при котором возникает коммутация парогазового слоя микродугами, т.е. напряжения, определяющего нижнюю границу плазменной очистки в заявляемом способе предложено определять из следующего уравнения U_кр= 6,2·
Так как заявляемая зависимость интегрирует в себе как физические характеристики электролита, так и внешние регулируемые режимные параметры: величину межэлектродного зазора, расход электролита и как результат на этой основе определяется напряжение (критическое), обеспечивается возможность определять как нижнюю границу области плазменной очистки при любых сочетаниях параметров режима очистки, так и производить сравнительный анализ различных режимов, осуществлять управление процессом очистки поверхности изделия. Такой подход принципиально отличает заявляемый способ от известного способа.

П р и м е р. Процесс очистки поверхности металлических изделий осуществляли в рабочей ячейке, в которую помещали плоский анод с площадью поверхности 320 мм². В качестве изделия использовали стальные полосы, вырезанные из горячекатаного листа и холоднокатаную ленту. Конструкцией установки и рабочей ячейки предусмотрена возможность непрерывного перемещения очищаемого изделия через рабочую ячейку и регулирование скорости этого перемещения.

Подача электролита в рабочую зону осуществляется по схеме оборотного цикла с промежуточным охлаждением и фильтрацией от загрязнений. Для непрерывной подачи на очищаемую поверхность электролита осуществляется его прокачивание через поверхность анода, в котором выполнены сквозные отверстия диаметром 2,0 мм с межцентровым расстоянием 6 мм.

В лабораторных условиях осуществляли очистку поверхности стальной ленты толщиной 1,0 мм и шириной 20 мм, сталь 08КП.

Межэлектродный зазор устанавливали равным 10 мм. Расход электролита регулировали в диапазоне 5,0-8,0 л/мин. Скорость перемещения полосы через рабочую зону выбирали таким образом, чтобы время обработки участков полосы в рабочей зоне составляло 0,2-0,5 сек.

В качестве электролита для очистки использовали 10%-ный раствор Na₂CO₃. Температура электролита в процессе очистки контролировалась и поддерживалась на уровне 65-70^оС.

Качество очистки оценивали путем нанесения на очищенную поверхность покрытий из различных металлов (Cu, Al).

C целью экспериментальной проверки заявляемого способа очистки поверхности металлических изделий были выполнены расчеты по определению величины межэлектродного напряжения U_кр по заявляемой зависимости. Расчеты выполнялись применительно к используемому в практической работе и экспериментах электролиту, представляющему 10% -ный раствор Na₂CO₃. Величину начальной удельной электропроводности для электролита при 20^оС приняли равной 705˙10^-4 Ом^-1˙см^-1 согласно справочным данным (Рабинович В.А. Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М. Химия, 1978, 392 с.).

Величину температурного коэффициента λ 0,022 К^-1 и коэффициента теплопроводности электролита при 20^оС σ_н=0,607 Вт/м˙К определили на основе данных, приведенных в кн. М. В.Щербака, М.А.Толстой и др. Основы теории и практики электрохимической обработки металлов и сплавов. М. Машиностроение, 1981, 263 с. (Библиотека технолога).

Толщина парогазового слоя на основе экспериментальных данных составляет (4-5) ˙10^-4 м.

Величина U_кр согласно заявляемой зависимости будет
U_кр= 6,2· = 123 В
Следовательно, при U_кр= 123 В должен начаться процесс электролитно-плазменной очистки (ЭПО), а при напряжении выше 220 В будет осуществляться процесс скоростного нагрева.

Экспериментальная проверка была проведена как с целью сопоставления расчетных величин U_кр с экспериментальными, так и с целью сопоставления результатов по известному способу и заявляемому.

В таблице приведены сравнительные данные, характеризующие особенности процесса и качество очистки поверхности при режимах известного способа и по заявляемому способу. Практическая реализация процесса очистки показала, что условия определения межэлектродного напряжения и границ области процесса электролитно-плазменной очистки (ЭПО) по заявляемому способу убедительно подтверждается при практической его реализации. При напряжении меньше расчетного режим ЭПО отсутствует и за отведенное время очистки ее качество нельзя признать удовлетворительным. При напряжении 125 В, что близко к расчетному U_кр, реализуется режим ЭПО, что приводит к улучшению качества очистки. При последующем росте напряжения внутри области ЭПО процесс носит стабильный характер, что обеспечивает высокий уровень качества очистки. При уровне напряжения, близком к 240 В, что соответствует условию U>1,8U_кр, процесс переходит в область нагрева с окислением поверхности. Подобная зависимость характера процесса от условий, предложенных в заявляемом способе, имеет место при реализации процесса по режимам известного способа. Однако в этом случае процесс очистки идет менее стабильно. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что заявляемый способ очистки поверхности металлических изделий, в основу которого положено определяющее условие осуществления процесса в области ЭПО и зависимости, устанавливающие взаимосвязь между внешними (регулируемыми) параметрами и физическими характеристиками рабочей среды, позволяет получить качественно новый технический эффект по сравнению с известным способом.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИЗДЕЛИЯ, включающий непрерывную подачу электролита на поверхность изделия и создание разности потенциалов между изделием и электродом для образования парогазового слоя на поверхности изделия, отличающийся тем, что величину создаваемого межэлектродного напряжения определяют по условию
U_кр ≅ U < 1,8 U_кр,
где U_кр - напряжение возникновения процесса коммутации парогазового слоя на очищаемой поверхности изделия микродуговыми электрическими разрядами, В, определяемое по формуле

где λ - коэффициент теплопроводности электролита, Вт/м· К;
s_н - начальная удельная электропроводность электролита, Ом^-1 · см^-1;
α - температурный коэффициент, К^-1;
d - толщина парогазового слоя у поверхности, м;
6,2 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряженности поля в межэлектродном зазоре;
l - величина межэлектродного зазора, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1