专利名称：钢丝表面化学清洗清洁化生产工艺及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钢丝表面化学清洗清洁化生产工艺及其设备，具体地说，是涉及一种碳钢或低合金钢的钢丝表面的大功率超声波清洗方法及其设备，用于去除钢丝表面存在的锈蚀、氧化皮或其它沾附污染物，属于超声波金属表面综合处理技术在钢丝制品行业中的应用。
背景技术：
钢丝在拉拔或沉积表面镀层前必须进行表面准备，以去除钢丝表面在存放、热处理等过程中产生的油、锈、氧化皮、灰尘等污染物，或者钢丝表面原本残存的拉拔润滑剂、磷化膜等。常规的处理方法是采用硫酸或盐酸等强酸浸泡清洗，其速度慢而且有大量酸雾溢出，劳动环境极差，清洗过程不易控制，易产生清洗不完全或过酸洗现象，还会产生表面不均匀腐蚀、钢丝直径过度减少等缺陷，某些对氢较敏感的材料还易吸氢产生氢脆。使用过程中所产生的大量酸雾溢出设备后会对厂房结构、周围设备产生强烈的腐蚀。如果对酸雾进行处理，则需要价格昂贵的处理设备，日常维护费用高，不适应快速的在线连续清洗要求。废酸酸度高，处理困难，费用高，污染大。另外一种现行的清洗方法是电解酸洗，虽然在清洗速度及清洗质量等方面有较大提高，但是仍然无法克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种快速、清洁环保、高质量的钢丝表面化学清洗清洁化生产工艺及其设备，具体是一种大功率超声波钢丝表面清洗方法及其设备。
本发明的清洗设备由电气控制柜、清洗槽、清洗液储液槽、清洗液辅助储液槽、清洗液循环泵、清洗液辅助循环泵和失效清洗液回收系统等组成。清洗槽内的底部安装有浸入式超声波振板；储液槽和辅助储液槽位于清洗槽的下方；清洗槽的外侧设有清洗液回流槽，并在回流槽的底部设有分别与储液槽和辅助储液槽连通的第一回流管和第二回流管，回流管的通断通过安装在它们上面的阀门控制，使回流清洗液流回储液槽或辅助储液槽；清洗槽的底部还设有分别与储液槽和辅助储液槽连通的第一排液管和第二排液管，排液管的通断靠安装在它们上面的阀门控制，可以使清洗槽中的液体排放到储液槽或辅助储液槽中；循环泵和辅助循环泵分别将储液槽和辅助储液槽与清洗槽连通；清洗槽的内部还设有多个钢丝导向器。
所述失效清洗液回收系统由加药槽、加药泵、回收处理槽、过滤加压泵、过滤机等顺序相连而成。其中，处理槽的内部设有加热装置，底部设有压缩空气搅拌管。过滤加压泵通过管道连接在处理槽的底部与过滤机的入口之间，将经过处理的原失效清洗液送入过滤机内进行过滤。
一种运用本发明所述的清洗设备清洗钢丝表面的方法，包括以下步骤(1)在清洗槽、储液槽及辅助储液槽内充满清洗液，接通设备电源；(2)开启循环泵或辅助循环泵，使清洗液在清洗槽与储液槽或辅助储液槽之间循环；(3)清洗液中工业磷酸的重量百分比含量为10％～30％，使用温度为40℃～70℃；(4)将每块超声波振板的额定超声功率设定在1KW～3KW之间；(5)钢丝从清洗槽中的超声波振板的上方连续通过清洗液，在超声波的空化作用和清洗液的化学作用的协同处理下，快速完成清洗；
(6)定期将失效清洗液通过回收系统进行回收处理；(7)将经过处理的清洗液重新送回储液槽或辅助储液槽，循环使用。
本发明具有以下优点1.由于是清洗液与大功率超声波共同作用，因而大大提高了清洗速度，实现了钢丝的在线连续快速清洗。所需清洗时间根据不同表面状况最短的只需3～5秒钟，最长的也不超过1.5分钟，尤其适合于展开式在线连续清洗作业。
2.清洗液在清洗过程中只挥发出水蒸汽，无其它有害气体散出，无酸雾溢出，对周围设备及厂房结构无侵蚀。
3.清洗液只与钢丝表面的污物发生作用，不与钢丝母材反应，对金属本体无腐蚀，清洗过程中没有H的析出，不会产生氢脆现象，不会改变钢丝原有线径。
4.失效清洗液经回收处理后可以重复使用，无废液排放，对环境无危害。
5.由于超声波清洗能够得到高的钢丝表面质量，使后续进一步的表面处理质量得到保证。
6.使用的超声波振板及超声波发生器采用单元式设计，方便组合，每块振板的工作状态可以单独控制，工作可靠，适应性强。
7.设备结构简单明确，易于实现，方便操作及维修维护。
8.控制功能齐全，各部件设计合理可靠，可实现长年连续生产。
图1是本发明设备的结构原理的主视图；图2是本发明设备的结构原理的俯视图；图3是本发明设备中的失效清洗液回收系统的结构原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的清洗设备及其生产工艺进行详细的描述。
如图1-3所示，本发明的清洗设备主要由电控柜1、清洗槽2、储液槽6、辅助储液槽7、循环泵10、辅助循环泵10′、失效清洗液回收系统11～18等组成。如图2所示，清洗槽2安装于储液槽6及辅助储液槽7的侧上方。浸入式超声波振板4安装于清洗槽2的底部，超声波发射面向上。失效清洗液回收系统可根据现场情况择地安装，通过管道与储液槽6及辅助储液槽7连接。电控柜1安装于清洗槽2附近，通过电缆线与用电设施连接。
如图1-2所示，清洗槽2的外侧设有清洗液回流槽5，并在回流槽5底部设有分别与储液槽6和辅助储液槽7连通的第一回流管8和第二回流管8′，回流管的通断通过安装在它们上面的阀门控制，使回流清洗液流回储液槽6或辅助储液槽7中。清洗槽2的底部还设有分别与储液槽6和辅助储液槽7连通的第一排液管9和第二排液管9′，排液管的通断靠它们上面的阀门控制，可以使清洗槽2中的液体排放到储液槽6或辅助储液槽7中。循环泵10和辅助循环泵10′分别将储液槽6和辅助储液槽7与清洗槽2连通。清洗槽2的内部还设有多个钢丝导向器3。
其中，所述清洗槽2的数量为1个或2个，其长度和宽度根据被处理钢丝的根数、间距、钢丝送进速度以及钢丝表面污垢状况等因素确定，一般情况下，清洗槽的长度为3～20m，宽度为0.15～1m。
其中，所述浸入式超声波振板4的数量一般不小于三块，每块振板的额定超声功率在1kW～3kW的范围内，工作频率在18kHz～50kHz的范围内，多数情况下选用频率在20kHz～30kHz的范围内。振板的长、宽尺寸及数量也根据上述情况确定，一般情况下，每块振板的长度为0.6～2m，宽度为0.1～0.9m。每一块振板的工作状态可以单独控制。
其中，清洗液储存在储液槽6及辅助储液槽7中。一般情况下，清洗液储液槽6的容积为3～20m3，辅助储液槽的容积小于10m3。清洗液通过循环泵10或辅助循环泵10′送入清洗槽2，再从清洗槽两端溢出到回流槽5，通过回流管8或8′流回储液槽6或辅助储液槽7，从而实现清洗液的循环。设置辅助储液槽7的目的是，当储液槽6中的清洗液达到失效时，可以及时补充功能正常的清洗液，同时，保证失效清洗液回收系统有足够的时间对储液槽6中的失效清洗液进行处理，使之重新恢复使用功能，如此循环往复使正常生产能够连续进行。被清洗的钢丝穿过清洗槽两端的导向器并通过超声波振板的上方，在超声波的空化作用及清洗液的化学作用的协同处理下，快速完成清洗过程，每次可同时清洗最多达48根钢丝。
其中，所述钢丝导向器3的数量根据清洗槽2的长度而定，用于钢丝行进过程中的导向，防止钢丝过度下绕摩擦超声波振板4以及可能发生的清洗槽内乱丝现象。
随着清洗过程的进行，清洗液的清洗效力会逐渐降低，最终失效，如果排放会对环境造成污染并损失掉大量有效成分。对此，本发明设计了一种对失效清洗液进行回收的系统和方法，失效清洗液经处理后可重复使用，不向外界排放废液。
如图3所示，本发明的失效清洗液回收系统主要由加药槽11、加药泵12、回收处理槽13、过滤加压泵16、过滤机17等顺序连接组成。加药泵12通过管道将储存在加药槽11内的处理药剂送入回收处理槽13内，过滤加压泵16通过管道连接在处理槽13的底部与过滤机17的入口之间，将经过处理的原失效清洗液送入过滤机17内。被过滤液体中的固体渣子为废弃物留存在过滤机内定期清除，滤出的清洁液体通过管道18送回储液槽6或辅助储液槽7。
失效清洗液的回收处理方法为氧化沉淀分离法。处理药剂为一种氧化剂，药剂与失效清洗液中的Fe2+离子发生反应，生成的Fe3+与失效清洗液中的PO43-反应，从而去除了液体中的Fe2+离子，原失效清洗液中留存的大量H3PO4和其它有效成份得到保留。处理过的液体通过加压泵16、过滤机17、管道18送回到储液槽6或辅助储液槽7，经过化验调整，补足有效成份，使得原失效的清洗液重新恢复使用功能。沉淀下来的FePO4通过过滤机制成渣饼存放。由于FePO4在自然条件下极难溶解于水，不会对环境造成重新污染，因而，本发明可将因设备使用对环境的损害降到最小。
本发明使用的清洗液是专门研制的一种可通过氧化沉淀法进行回收处理的水溶性酸性清洗液，其主要成份为工业磷酸，其含量根据被清洗钢丝表面状况控制在10％～30％(重量比)之间。另外，清洗液还可以配合我们研制的JXA-2添加剂共同使用。该添加剂的主要功能是(1)缓蚀，(2)降低清洗液表面张力，提高清洗液渗透性，(3)掩蔽有害离子，稳定清洗效果。JXA-2添加剂的加入量为0.2～0.5％(重量比)，其余为水。配制好的清洗液对碳钢的缓蚀率应大于90％，正常使用时温度在40℃～70℃之间。这种清洗液在70℃以下使用，对钢铁金属的腐蚀率极低，其腐蚀率低于5g/m2·h，在如此低的腐蚀率下，可以认为在清洗过程中，清洗液只对钢丝表面的氧化层及其它污垢起作用而不腐蚀金属基体。这种清洗液去除氧化层的机理为，，，其它污垢的去除主要是利用了清洗液的分散乳化性能。
上述清洗液中的磷酸在清洗温度范围内极难蒸发到空气中，而且清洗过程中也极少有可产生气体的反应发生，因而蒸发到周围空气中的酸雾等有害气体极少，实践证明不会对周围设备及人员造成危害，是一种清洁化生产的清洗液。
由于磷酸的酸性较弱，仅仅使用上述清洗液进行钢丝表面清洗，需要较长的时间，一般情况下需10～20分钟，这样的清洗效率不能满生产需要。因此，本发明采用了向清洗液中发射大功率超声波的方法，极大提高了清洗速度，超声波在清洗液中传播时在钢丝表面产生的空化效应带来的高温高压冲击，大大促进了钢丝表面污垢的剥离、分散和乳化过程，同时也大大加速了酸液与氧化物的反应过程，使清洗时间降低到1.5分钟以下，对某些种类的钢丝仅需3～5秒钟即可完成清洗过程，实现了对钢丝表面进行快速清洗的需求。
随着清洗过程的进行，清洗液中溶解的Fe2+离子会逐渐增多，当Fe2+离子浓度达到一定程度时，清洗液的清洗效果会明显下降而不能满足钢丝的清洗要求，这时则需要对其进行回收处理。正常使用时每升清洗液中的Fe2+含量应小于45克，清洗液的pH值控制在0.5～1.5之间，经回收处理后的每升清洗液中Fe2+及Fe3+的含量应不大于5克。
实施例1同时清洗钢丝数量为24根，清洗槽2长8m，宽0.65m；超声波振板4的尺寸为长0.8m，宽0.5m，每块功率2KW，频率25KHz，共6块；储液槽6的容积为10m3；辅助储液槽7的容积为3m3；回收处理槽13的容积为10m3；钢丝在清洗槽2中的清洗时间为30～50s。清洗液中Fe2+浓度在到40～45g/l时进行回收处理，每次处理的清洗液量约为10m3。
实施例2同时清洗钢丝数量为18根，清洗槽2长8m，宽0.6m；超声波振板4的尺寸为长0.8m，宽0.45m，每块功率2KW，频率25KHz，共5块；储液槽6的容积为10m3；钢丝在清洗槽2中的清洗时间为30～50s。清洗液中Fe2+浓度在到40～45g/l时进行回收处理，每次处理的清洗液量约为10m3。
实施例3同时清洗钢丝数量为28根，清洗槽2长10m，宽0.4m；数量为2个并排；超声波振板4的尺寸为长0.9m，宽0.35m，每块功率2KW，频率25KHz，共10块振板；储液槽6的容积为15m3；无辅助储液槽7；回收处理槽13的容积为5m3；钢丝在清洗槽2中的清洗时间为15～30s。清洗液中Fe2+浓度在到30g/l时进行回收处理，每次处理的清洗液量约为5m3。
权利要求
1.一种大功率超声波钢丝表面清洗设备，包括电气控制柜(1)、清洗槽(2)、清洗液储液槽(6)和清洗液循环泵(10)，循环泵(10)连通储液槽(6)和清洗槽(2)，其特征在于(1)清洗槽(2)内的底部装有浸入式超声波振板(4)，每块超声波振板(4)的额定超声功率在1KW～3KW的范围内，振板数量不少于3块；(2)还包括清洗液辅助储液槽(7)和清洗液辅助循环泵(10′)，储液槽(6)和辅助储液槽(7)位于清洗槽(2)的下方，辅助循环泵(10′)连通辅助储液槽(7)和清洗槽(2)；(3)清洗槽的外侧设有清洗液回流槽(5)，回流槽(5)的底部设有分别连通储液槽(6)和辅助储液槽(7)的第一回流管(8)和第二回流管(8′)；(4)清洗槽(2)的底部设有分别连通储液槽(6)和辅助储液槽(7)的第一排液管(9)和第二排液管(9′)，清洗槽(2)的内部设有多个钢丝导向器(3)；(5)还设有失效清洗液回收系统(11～18)，用于对失效清洗液进行回收处理，以便被循环利用。
2.根据权利要求1所述的清洗设备，其特征在于所述超声波振板(4)的工作频率在18KHz～50KHz的范围内，振板采用单元式设计，每块振板的工作状态可以单独控制。
3.根据权利要求2所述的清洗设备，其特征在于所述工作频率为20KHz～30KHz。
4.根据权利要求1、2或3所述的清洗设备，其特征在于所述回流管(8，8′)和排液管(9，9′)上均装有阀门。
5.根据权利要求1、2或3所述的清洗设备，其特征在于所述失效清洗液回收系统(11～18)由加药槽(11)、加药泵(12)、处理槽(13)、过滤加压泵(16)、过滤机(17)顺序连接而成，处理槽(13)的内部设有加热装置(14)。
6.根据权利要求5所述的清洗设备，其特征在于所述处理槽(13)的底部设有压缩空气搅拌管(15)。
7.根据权利要求6所述的清洗设备，其特征在于所述过滤加压泵(16)通过管道连接于处理槽(13)的底部与过滤机(17)的入口之间，将经过处理的原失效清洗液送入过滤机(17)内。
8.根据权利要求5所述的清洗设备，其特征在于所述清洗液是以工业磷酸为主要成份的水溶性清洗液，其中工业磷酸的重量百分比含量在10％～30％之间，使用温度为40℃～70℃。
9.根据权利要求1、2、3、6或7任一项所述的清洗设备，其特征在于所述清洗液是以工业磷酸为主要成份的水溶性清洗液，其中工业磷酸的重量百分比含量在10％～30％之间，使用温度为40℃～70℃。
10.一种运用权利要求1-9任一项所述的清洗设备清洗钢丝表面的方法，所述设备包括电气控制柜(1)、清洗槽(2)、清洗液储液槽(6)、辅助储液槽(7)、清洗液循环泵(10)、辅助循环泵(10′)和失效清洗液回收系统(11～18)，在清洗槽(2)的底部装有不少于3块的浸入式超声波振板(4)，该方法包括以下步骤(1)在清洗槽(2)、储液槽(6)、辅助储液槽(7)内充满清洗液，接通设备电源；(2)开启循环泵(10)或辅助循环泵(10′)，使清洗液在清洗槽(2)与储液槽(6)或辅助储液槽(7)之间循环；(3)清洗液中工业磷酸的重量百分比含量为10％～30％，使用温度为40℃～70℃；(4)将每块超声波振板(4)的额定超声功率设定在1KW～3KW之间；(5)钢丝从清洗槽(2)中的超声波振板(4)的上方连续通过清洗液，在超声波的空化作用和清洗液的化学作用的协同处理下，快速完成清洗；(6)定期将失效清洗液通过回收系统(11～18)进行回收处理；(7)将经过处理的清洗液重新送回储液槽(6)或辅助储液槽(7)，循环使用。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于将所述超声波振板(4)的工作频率设定为18KHz～50KHz。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述清洗槽(2)的外侧设有清洗液回流槽(5)，清洗液通过回流槽(5)底部的第一回流管(8)和第二回流管(8′)分别回流到储液槽(6)和辅助储液槽(7)。
13.根据权利要求10、11或12任一项所述的方法，其特征在于所述清洗液通过清洗槽(2)底部的第一排液管(9)和第二排液管(9′)分别排放到储液槽(6)和辅助储液槽(7)。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于所述失效清洗液回收系统(11～18)由加药槽(11)、加药泵(12)、处理槽(13)、过滤加压泵(16)、过滤机(17)顺序连接而成，处理槽(13)的内部设有加热装置(14)，处理槽(13)的底部设有压缩空气搅拌管(15)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述过滤加压泵(16)通过管道连接于处理槽(13)的底部与过滤机(17)的入口之间，将经过处理的原失效清洗液送入过滤机(17)内。
16.根据权利要求10-12或15任一项所述的方法，其特征在于所述失效清洗液的回收处理方法为氧化沉淀分离法。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述失效清洗液的回收处理方法为氧化沉淀分离法。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述失效清洗液的回收处理方法为氧化沉淀分离法。
全文摘要
一种钢丝表面化学清洗清洁化生产工艺及设备，具体是碳钢或低合金钢钢丝表面的超声波清洗方法及设备，能快速有效去除钢丝表面的锈蚀、氧化皮和其它沾附污染物。设备包括清洗槽、储液槽、辅助储液槽、循环泵、辅助循环泵和失效清洗液回收系统。清洗槽的底部设有浸入式超声波振板及与储液槽和辅助储液槽连通的排液管，外侧设有回流槽。本发明采用大功率超声波振板，其额定超声功率为1～3kW，工作频率为18～50kHz。清洗液是以工业磷酸为主要成分的酸性清洗液，其中工业磷酸的重量百分比含量为10～30％，使用温度40～70℃。利用失效清洗液回收系统对失效的清洗液进行回收处理，不排放废液，既降低成本又确保环保。清洗中无酸雾和有害气体挥发，清洗后的钢丝表面质量高。
文档编号C11D3/36GK1565759SQ0314662
公开日2005年1月19日 申请日期2003年7月10日 优先权日2003年7月10日
发明者高俊华, 臧金明 申请人:北京金星超声波设备技术有限公司