СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОГО ПРОКАТА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ
METHOD FOR SCALE REMOVAL FROM SURFACE OF FLAT ROLLED STOCK IN ELECTROLYTE

Изобретение относится к металлургическому производству и к электрохимической обработке металлов, а именно к способам очистки поверхностей металлических изделий в электролитах, и может быть использовано для снятия оксидных пленок металлов (оксид железа, гематит, магнетит, окалина и т.п.), образующихся, например, при холодной и горячей прокатке, а также термообработке и коррозии металлов.
Основным способом удаления окалины с листового проката является химическое травление в растворах кислот при повышенных температурах. При относительной простоте такого метода он имеет ряд существенных недостатков, как, например, образование длинных заправочных концов ленты, большая площадь травильных и промывочных ванн, высокая температура водного раствора (50-70°С), продолжительное время операции травления и образование вредных отработанных растворов. Химическая утилизация этих растворов трудоемка и связана с энергетическими и материальными затратами, может загрязнять окружающую среду и требует использования очистных сооружений. Существуют также механические способы удаления окалины: щетками, фрезами, дробью, абразивными кругами и другие. Однако они также не решают проблемы полностью, так как не обеспечивают полное удаление окалины, снижают коэффициент использования оборудования.
2
Одним из методов удаления окалины с поверхности листового проката, является электролитно-плазменная обработка. Известен способ электролитно-разрядной очистки металлов (Авт. св. СССР №296829, опубл. 23.06.1971), включающий электрохимическую катодную обработку изделий в 3-20% в водном растворе карбоната натрия или калия, хлорида натрия при плотности тока 8-10 А/см и напряжении 90-180 В. Недостатком данного способа является недостаточно эффективная очистка поверхности металлического изделия от пленок оксидов металлов, образующихся при холодной и горячей прокатке изделия, а также существенные энергозатраты на единицу площади очищаемой поверхности.
2
Известен способ электролитно-разрядной очистки изделий (Патент РФ № 2068038, опубл. 20.10.1996), который включает катодную обработку в электролите - водном растворе хлорида или карбоната натрия в замкнутой емкости при плотности тока 0,20-10 А/см и напряжении 90-190 В. При обработке используют электролит с концентрацией 10-30%, а давление электролита внутри емкости поддерживают 1,1-1,5 атм. Недостатком данного способа является малоэффективная очистка поверхности металлического изделия от оксидных слоев, большие плотности тока на катоде, а также создание повышенного давления внутри емкости.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому объекту является способ очистки поверхности металлического изделия в электролите (Патент РФ 2104338, опубл. 10.02.1998). Очистка осуществляется путем создания разности потенциалов между изделием и электролитом, образованием из паров электролита и водорода парогазового слоя на очищаемой поверхности с последующими пробоями его микроискровыми разрядами в результате варьирования межэлектродного напряжения от 30 до 600 В. При этом толщину парогазового слоя ограничивают пределами 0,3-3 мм проницаемым для электролита пористым локализатором парогазового слоя, кроме того, очистку поверхности металлического изделия от трудноудаляемых оксидных пленок металлов осуществляют при последовательной и повторяемой катодной и анодной поляризации очищаемой поверхности.
2
Недостаток способа по прототипу заключается в том, что толщину парогазового слоя на очищаемой поверхности ограничивают пределами от 0,3 до 3,0 мм специальным пористым проницаемым для электролита локализатором парогазового слоя, электрическая проводимость и теплопроводность которого меньше электрической проводимости и теплопроводности электролита. При этом локализатор изготавливают в виде керамической плоской мембраны с однородной или многослойной структурой на основе оксидов алюминия и карбидов кремния. Изготовление катализатора представляет определенные сложности. Кроме этого, локализатор ограничивает доступ электролита к поверхности очищаемого металла. Последующее удаление пленки с поверхности металла осуществляют только при катодной поляризации или последовательно - вначале при катодной, а затем при анодной поляризации. При этом общее время обработки изменяется от 45 до 90 с при варьировании межэлектродного напряжения в пределах или от 20 до 40 В (при анодной поляризации) или от 160 до 280 В (при катодной поляризации). Недостатком предлагаемого способа является также некорректность его определения применительно к случаю очистки поверхности в электролите. В широком интервале предложенных для осуществления способа значений напряжений (от 20 до 40 В и от 160 до 280 В), плотностей тока (от 0,2 до 5А/см) и концентраций электролита возможна реализация различных режимов как анодного, так и катодного процесса, а именно режим низковольтного электролиза, коммутационного режима, режима нагрева, электродинамического режима. Это обусловливает неэффективную, неоднородную и нестабильную очистку поверхности металлического изделия, а также значительные энергозатраты на единицу площади очищаемой поверхности металлического изделия.
Технический результат способа очистки поверхности металлического изделия в электролите от оксидных пленок металлов заключается в обеспечении стабильности процесса очистки, повышении качества и однородности очистки поверхности металлического изделия в различных по составу и концентрации электролитах, а также снижении энергозатрат на единицу площади очищаемой поверхности.
-1
-1
Технический результат достигается следующим образом. В способе удаления окалины с поверхности плоского проката в электролите, включающем непрерывную протяжку металлической ленты через электролитическую ванну, металлическая лента служит анодом. Причем поверхность погруженной части ленты (активного электрода) в электролит должна быть не менее чем в два раза меньше поверхности катода. Разность потенциалов между анодом и катодом от 280 до 340 В должна обеспечивать установление электрогидродинамического режима на активном электроде, при котором наблюдается переходный режим от пленочного кипения к пузырьковому кипению. Таким образом обработку ведут в водных растворах солей электропроводностью 0,05-0,7 Ом·см и коэффициентом поверхностного натяжения 50-76 мН/м при температуре от 30 до 70°С в течение 10-30 с.
2
При этом скорость подачи электролита в межэлектродное пространство на очищаемую поверхность, его температура, а также скорость протягивания плоского проката через ванну должны обеспечивать сохранность и стабильность электрогидродинамического режима, при котором плотность тока на активном электроде составляет 0,4-0,6 А/см. В этом режиме вокруг активного электрода (обрабатываемая часть ленты) образуется стабильная парогазовая оболочка, разделяющая металлическую поверхность обрабатываемой детали от электролита. В этой оболочке протекают импульсные электрические разряды и стационарный электрический разряд типа тлеющего электрического разряда. Под действием электрических разрядов элементы, входящие в состав электролита, в парогазовой оболочке находятся в ионизированном и возбужденном состоянии, что обеспечивает протекание интенсивных электрохимических реакций, а также электрическую эрозию поверхности обрабатываемой детали.
Это позволяет улучшить качество поверхности обрабатываемого проката, повысить стабильность процесса обработки и однородность очистки поверхности изделия от окалины, в том числе и от пленок оксидов металлов, а также уменьшить энергозатраты на единицу площади очищаемой поверхности, так как сокращается время обработки и уменьшается плотность тока.
Очистку поверхности изделия от окалины осуществляют следующим образом. Заземленное листовое изделие, служащее анодом, с помощью роликовой системы протягивают через электролитическую ванну. Катод может быть изготовлен из нержавеющей стали, никеля, свинца или любого другого инертного материала. Деталь-анод погружают в водный раствор, который непрерывно подают в ванну из бака с термостатированным электролитом. Оптимальной концентрацией электролита является концентрация 3-10% водных растворов солей аммония или бикарбоната натрия, которая обеспечивает 100% очистку. При уменьшении концентрации (менее 3%) резко возрастает время очистки, а при увеличении концентрации (более 10%), при сохранении времени очистки, увеличивается расход материала. Температуру электролита варьируют от 30 до 80°С. При температуре электролита менее 30°С электрогидродинамический режим переходит в режим нагрева и деталь нагревается до 900-1000°С, а при температуре более 80°С устанавливается режим контактных электрических разрядов, при котором снятие окалины с поверхности ленты значительно ухудшается. Скорость протяжки ленты через электролит (от 0,5 до 4 см/с) выбирают такой, чтобы время обработки погруженной части составляло 10-20 с, что обеспечивает необходимое качество обрабатываемой части ленты. Выполнение указанных режимов позволяет обеспечить качественный непрерывный процесс удаления окалины с поверхности ленты.
Примеры конкретной реализации способа.
4
-1
-1
2
Пример 1. Очистке от окалины подвергали образцы из нержавеющей стали типа ст. 12Х18Н10Т, образующейся как при холодной, так и при горячей прокатке в условиях металлургического производства. Толщина стальной ленты составляла 0,1 мм. Слой пленки оксидов металлов (оксид железа, гематит, магнетит) изменялся по площади очищаемой поверхности от 4 до 6 мкм и его средняя толщина составляла около 5 мкм. Активный электрод (анод) изготовлялся в виде пластин размером 60×15 мм. Катод выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Процесс очистки проводили в водном растворе NHF электропроводностью 0,35 Ом·см, коэффициентом поверхностного натяжения 66 мН/м при начальной температуре 30°С. Напряжение на электродах 280 В, плотность тока на активном аноде 0,4-0,45 А/см, время обработки 10 с. После обработки поверхность стальной ленты имеет равномерный зеркальный блеск.
-1
-1
2
Пример 2. Очистке от окалины подвергали образцы из нержавеющей стали типа ст. 12X17. Толщина стальной ленты составляла 0,1 мм. Слой пленки оксидов металлов (оксид железа, гематит, магнетит) изменялся по площади очищаемой поверхности от 4 до 6 мкм и его средняя толщина составляла около 5 мкм. Активный электрод (анод) изготовлялся в виде пластин размером 60×15 мм. Катод выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Процесс очистки проводили в проточном водном растворе бикарбоната натрия электропроводностью 0,25 Ом·см коэффициентом поверхностного натяжения 52 мН/м при температуре электролита 50-55°С. Напряжение на электродах 320 В, плотность тока на активном аноде 0,5-0,6 А/см, время обработки 15 с. После обработки поверхность стальной ленты имеет равномерный зеркальный блеск.
4
-1
-1
2
Пример 3. Очистке от окалины подвергали образцы из нержавеющей стали типа ст. 12Х18Н10Т, образующейся как при холодной, так и при горячей прокатке в условиях металлургического производства. Толщина стальной ленты составляла 0,1 мм. Слой пленки оксидов металлов (оксид железа, гематит, магнетит) изменялся по площади очищаемой поверхности от 5 до 6 мкм и его средняя толщина составляла около 5,5 мкм. Активный электрод (анод) изготовлялся в виде пластин размером 60×16 мм. Катод выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Процесс очистки проводили в водном растворе NHF электропроводностью 0,4 Ом·см, коэффициентом поверхностного натяжения 62 мН/м при температуре 70°С. Напряжение на электродах 340 В, плотность тока на активном аноде 0,55-0,6 А/см, время обработки 30 с. После обработки поверхность стальной ленты имеет равномерный зеркальный блеск.
Таким образом, разработанный способ позволяет осуществлять однородную очистку прокатной ленты от трудноудаляемых пленок оксидов металлов, образующихся, например, при холодной и горячей прокатке и термообработке изделия в металлургическом производстве, значительно снижает энергозатраты и не требует очистных сооружений, так как электролит представляет собой нейтральный раствор.