金属材料超声清洗系统的设计

　　0　引言

　　高压电线的电力铁塔工作条件非常恶劣,通常是在野外高温日晒、风雪交加,有的甚至在酸雨、酸雾等复杂条件下工作。而其所用的线型角钢防锈要求非常之高(至少五十年不生锈)。因此为达到上述要求,对角钢的前处理工序——清洗就成了一道很关键的工序。而角钢一般为热扎钢,氧化皮厚,杂质多。如果使用传统的酸洗方法,其效率低、成本高、效果差、易氢脆且污染环境。为此我们采用了超声波清洗方法,设计了一套金属材料超声波清洗系统,此系统采用的工作液是在一定配比的H2SO4-H3PO4-HNO3组成的酸洗液中添加新型缓蚀剂HS-980,较好地解决了上述问题。

　　1　超声波清洗原理

　　超声波的清洗主要是利用超声波的空化作用[1],产生冲击波,其作用力把金属表面的氧化皮及杂物剥落下来。所谓空化是指液体中气泡或空腔的产生、增长和随后迅速破灭的现象。要在液体中拉开某一区域,使之形成空腔或气泡需要很高的拉力,因此是很困难的。但是在液体中往往存在有许多容易产生空化的点(常称为空化核),这些空化核可以是由于热波动产生的空气泡,外来微小物质使液体产生的断点,表面膜所阻止的溶解气体,宇宙射线或其它天然辐射所电离的质点等等。由于有了这些空化核,在超声波交变声压的作用下,则容易使这些点拉开而产生空化。超声空化过程的重要见识是分析处在Pa～PaSinXt声压强中气泡的特性取得的,这样一个气泡所产生的现象与超声频率X和气泡自然频率Xo的相对大小有关,此处有:

　　其中Pa——声压幅值,Ro——气泡半径,ρ——液体密度,γ′=Cp/Cv——气泡所含气体的定压比热与定容比热之比,γ——表面张力, Po——液体静压力。

　　当超声频率ω>>ωo时,气泡以一定幅值接近正弦振荡。当ω<<ωo时,气泡则在瞬间压力减少时增大尺寸,而当气泡受到压缩时迅速破裂。因不同气泡将在不同瞬间破裂,破裂速度也不同。其瞬间质点速度可达超声速并产生冲击波而促使清洗物附属物脱落。据计算,当一个半径为1Lm的蒸气泡在频率4MHz和压力Pa=4个大气压的超声作用下于几分之一微秒内破裂,冲击波压力可达数千大气压,但实际上由于液体的粘滞性和压缩性,以及破裂时Rayleigh-Faylor不稳定性所引起气泡球表面破裂,冲击波将小于其计算值,但其作用力足以使杂物掉下来。

　　2　金属型材—线型角钢超声清洗的可行性分析

　　金属型材—角钢的表层主要是铁氧化物和其它杂质,在镀锌之前,必须把这一层去除掉,才能保证金属机底与镀锌层的结合率。传统的清洗方法是把1～1.5吨的角钢放到装有较浓的盐酸液的酸洗池里浸泡,约1.5～2个小时取出来。这种方法有许多缺点,一是生产效率低,效果差,易引起材料氢脆。若要进行大量生产时,需增加酸洗池和占地面积。二是污染环境。首先盐酸具有较高的挥发性,形成酸雾污染空气。其次经多次使用后的废盐酸若处理不当也会污染环境。三是由于其腐蚀性强,容易对清洗槽和车间金属门窗产生腐蚀。四是工人工作条件恶劣,损害工人的身心健康。为了克服上述不利因素,我们设计了超声波清洗系统。此系统是在一定配比的H2SO4-H3PO4-HNO3组成的母液中添加新型缓蚀剂HS-980[2]为工作液的基础上加上超声波系统。由于冲击波的强度与声波的频率有关,根据经验我们采用频率为20KHz的超声波。这样系统工作时,超声波对工作液产生空化作用,即在交变声压作用下,液体中会形成很多微空腔,当这些微空腔与角钢撞击时空泡闭合,引起极强的冲击波,其作用力使得附在角钢表面的铁锈和杂物剥落下来。然后酸洗液再渗透到次层杂物表面,与次层杂物反应生成一系列磷酸盐,冲击波又把它们剥落下来,如此循环多次,角钢在短时间内就可清洗干净了。