大型不锈钢设备表面处理工艺方案

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1、安徽铜都流体科技有限公司大型不锈钢水工设备表面处理工艺设计姓名： 钟江伟 学号： 2016310982 院系： 材料学院 基地名称： 安徽省铜陵市社会实践基地 实践单位： 安徽铜都流体科技有限公司 课题名称： 大型不锈钢设备表面处理工艺措施 工作亮点： （1） 选用磨粒水射流设备除鳞除锈替代传统酸洗工艺对不锈钢设备进行表面处理，大大减少了酸液的使用，降低了对环境的污染；（2） 将不锈钢除锈和钝化集成到统一的射流平台中，大大提高了表面处理工艺的自动化程度，提高酸液利用率约50%；（3） 通过此项工艺，企业的生产成本降低为原来的60%左右。摘要：不锈钢因其优良的耐腐蚀性和良好的外观而广泛应用。不锈

2、钢在生产过程中不可避免地要经过退火、正火、淬火、焊接等加工过程，表面时常会产生黑色的氧化皮。氧化皮不仅影响不锈钢的外观质量，也会对产品的后续加工产生不利影响，故在后续加工前必须采用酸洗、抛光等表面处理方法将其除去。而传统的酸洗方法去除钢板表面的氧化皮，对环境、人员和设备造成巨大的危害。在本方案中，巧妙地避开酸洗钝化槽生产线，另辟蹊径，选择磨粒水射流设备，通过调节射流介质，在一个密闭的空间内，将表面处理全流程集成到一个平台之中，大大提高了生产效率，降低了企业的生产成本，具有很强的应用的前景。正文： 安徽铜都流体科技有限公司大型不锈钢水工设备表面处理工艺设计安徽铜都流体科技有限公司是环保设备的专业

3、生产厂家，近年来在参考借鉴了国外同类厂家先进技术的基础上，创新地生产出了各种高质量、多功能、长寿命的环保水工设备。为了进一步提高公司环保水工产品的质量，提高产品的核心竞争力，为社会提供更好更优质的产品和服务，公司决定对几种典型的大型不锈钢产品进行表面处理。产品简介:闸门表1、闸门基本情况产品名称规格材质工作环境供货状态闸板阀方形闸板（200X200-3500X3500）圆形闸板（Dn200-Dn300）灰铸铁/球铁、不锈钢温度：20-120湿度：95%水或污水PH：5-10未表面处理SYZ铸铁镶铜闸门圆闸门（Dn200-2700）方闸门（200X200-3500X3500）铸铁、铜同上同上ZS

4、Z型不锈钢闸门方闸门（300X300-1300X1300）不锈钢同上同上一、不锈钢表面处理的基本概况1、简介 不锈钢因其优良的耐腐蚀性和良好的外观而广泛应用。不锈钢在生产过程中不可避免地要经过退火、正火、淬火、焊接等加工过程，表面时常会产生黑色的氧化皮。氧化皮不仅影响不锈钢的外观质量，也会对产品的后续加工产生不利影响，故在后续加工前必须采用酸洗、抛光等表面处理方法将其除去。2、不锈钢氧化皮的结构不锈钢表面存在的氧化皮结构致密，与基体附着力强，在以后的钝化、电镀、着色等装饰处理之前必须要清除干净。不锈钢氧化皮的主要化学组成为FeO、Fe2O3、Fe3O4、Cr2O3、NiO、SiO2、Cr2O3

5、FeO等。在奥氏体钢中，氧化物分为三层：最外层主要以 Fe2O3和 Fe3O4的形式存在；中间层主为FeO和Fe-Cr氧化物，最内层主要为Fe-Cr、Fe-Ni 和Fe-Cr-Ni氧化物。除此之外，在最内层氧化物与不锈钢基体间还存在一层贫铬层。不锈钢氧化皮结构的复杂性使氧化皮的完整性受到破坏，不完整性包括膜的晶体结构和电子结构的不均匀性。不完整性氧化皮非但没有装饰性，而且使金属表面的电化学腐蚀加快，氧化膜中新的氧化物的形成，由于体积差异，会在金属表面产生应力，氧化物与基体的热膨胀系数不同，也会产生相应的应力，表面应力的存在加快了表面的应力腐蚀。因此，不锈钢表面因各种原因形成的不完整氧化物、氧化

6、皮有害无益。去除不锈钢表面这些氧化皮对顺利进行下道工序加工，防止不锈钢表面腐蚀，保持表明光洁，延长不锈钢零部件的使用寿命，具有重要意义。 3、不锈钢氧化皮的清除机械法、化学法和电化学法。3.1机械清除法主要为磨光、抛光、滚光、喷丸、喷砂等，由于不锈钢氧化皮组成的复杂性，要使表面氧化皮清除干净，又要使表面达到高度清洁和平整，并非易事，因此通过机械法进行物理去除氧化皮并非理想选择。3.2 化学清除化学法主要指对不锈钢氧化皮进行酸洗，酸洗的目的不仅是将带钢表面黑色的氧化物去除，同时是为了防止贫铬层的存在，因为贫铬层会导致工件表面防腐性能下降，在去除氧化物的同时还需将此部分贫铬层去除，最终使得不锈钢带

7、呈现表面光滑耐蚀的状态。清理不锈钢氧化皮的酸洗工艺一般要分三步进行，第一为预处理，第二步为去灰渣，第三步为除氢。（草酸、柠檬酸加磷酸、盐酸加柠檬酸）3.3 电化学法电解法进行除锈的工艺主要分为两段：第一段主要为电解段，第二段根据不同不锈钢的类型分为：铁素体（200系和400系）不锈钢为硝酸酸洗，奥氏体不锈钢（300系）为硝酸加氢氟酸混合酸洗。 酸洗中电解段的工艺参数为：Na2SO4，150-220g/L；酸洗时间，34S；溶液温度，70-85；最大电流密度，21A/dm2；酸洗最大速度120m/min。酸洗中酸洗段的工艺参数为：HNO3，100-200g/l；酸洗时间，min 16S；溶液温度

8、，50-70；酸洗速度，max 90m/min，最大电流密度，5A/dm2。电解段：Na+2e+H2O=2NaOH+H2 和SO42-2e+2H2O=2H2SO4+O2Fe2O3-6e+6H2O=2Fe(OH)3+6H-+3/2O2Cr2O3-6e+6H2O=2Cr(OH)3+6H-+3/2O2酸洗段：Fe3O4+ 10 HNO33 Fe(NO3)3+ NO2+5 H2OCr3O4+ 4 HNO3Cr(NO3)3+ NO2+ O2+2 H2ONiO+2 HNO3Ni(NO3)2+ H2OFe Cr2O4+ NO3-+ 10 H+Fe3+ 2 Cr3+ NO2 + 5 H2ONi Fe2O4+

9、NO3-+ 10 H+2Fe3+ Ni2+ NO2 + 5 H2O二、表面酸洗处理工艺方案根据产品的形状、尺寸、材质的特点，对其进行表面处理的方法目前有以下几个思路：1、 人工涂刷酸洗酸洗液的配方根据不锈钢种类的不同而不同，针对于本公司产品所采用的绝大多数304不锈钢材质而言，其酸洗液配置为HNO3+HF酸，浓度分别为HON3:100-220g/L、HF:50g/L，之后进行流动水冲洗，然后用7.0%的碳酸钠水溶液进行中和，流动水冲洗，检测表面PH值，晒干。如果想进行下一步的钝化，可采用硝酸450ml、重铬酸钾20g、水900ml，进行大于0.5h的钝化处理，继续进行流动水冲洗，晒干。酸洗液中

10、加入0.5%的尿素作为氢脆抑制剂。此方法优点是工艺方案灵活，可以进行各种材质，各个位置的不锈钢的酸洗，人工成本相对较低，不足之处是无法保证除锈的质量和效率，酸液会对酸洗人员伤害较大，酸雾会污染环境。2、 机械手涂刷酸洗此方法与上述人工涂刷法类似，只是用机器手替代人工进行涂刷酸液。除上述优点外，机械手进行涂刷不锈钢，可以对表面进行更加均匀、细致的表面涂刷处理，并且不会对人体造成伤害。3、 电化学方法目前国际上普遍采用中性电解技术去除不锈钢表面的铁鳞。氧化皮在电流的作用下强制溶解，处理速度快，效率高，表面“酸洗”质量好。表2、不锈钢酸洗钝化方法比较方法适用范围优缺点浸渍法用于可放入酸洗槽或钝化槽的

11、零部件，但不适于大设备 酸洗液可较长时间使用，生产效率较高、成本低；大容积设备充满酸液浸渍耗液太大涂刷法适用于大型设备内外表面及局部处理 手工操作、劳动条件差、酸液无法回收膏剂法用于安装或检修现场，尤其用于焊接部处理；手工操作、劳动条件差、生产成本高喷淋法 用于安装现场，大型容器内壁 用液量低、费用少、速度快，但需配置喷枪及扦环循环系统电解法既可用于零部件，又可用电刷法对现场设备表面处理 技术较复杂，需直流电源或恒电位仪4、 磨粒水射流除锈4.1磨料水射流除鳞机理传统的酸洗方法去除钢板表面的氧化皮，对环境、人员和设备造成巨大的危害。磨料水射流除鳞法是近年来发展起来的一种新型的除鳞方法。以超高压

12、纯水射流和磨料水射流为代表的水射流除鳞除锈技术，采用物理、湿式的作业方式，既不会对钢材本质造成伤害，也不会对环境造成污染，因而具有良好的应用前景。在纯高压水射流除鳞时，水在高压的作用下在喷嘴以高速喷射到板材表面，由于高速喷射的水流具有一定的动能，当其撞击到不锈钢材表面时，将自身的动能转化为对钢材表面氧化皮的冲击作用，从而使得氧化皮松动；磨料水射流时磨料与高速流动的水相互混合而形成的固液两相介质流。磨料水射流是利用高速流动的水的动能传递给磨料，从而使磨料对钢带靶物产生以下三个方面的作用。由流体力学的有关知识可得，快速运动的磨料水射流具有极大的动能，当它接触到被清理的材料时，磨料水射流的动能瞬间就

13、会为被清理材料吸收，具体表现为：第一是磨粒和水滴对被清理材料的冲击作用；第二是磨粒和水滴沿被清理材料表面的剪切破断作用（即切削作用）；第三是磨料水射流中的气体对被清理材料的冲洗作用。磨粒水射流的技术原理如下图1。图1、磨粒水射流技术原理图单位时间内除鳞除锈的面积和单位面积除鳞除锈所消耗的能量，即: 作业效率和比能耗是判断水射流除鳞除锈能力的重要因素。=S/T=B (60v) T/T= 60Bv （1） W =PeT/S=PQT/B (3600v)T=PQ/3600Bv （2）式中 除鳞除锈的作业效率，m2/ hS 除鳞除锈的面积，m2B 除鳞除锈基本单元的作业宽幅，mv 除鳞除锈基本单元的横移

14、速度，m /minT 除鳞除锈的时间，hW 除鳞除锈的比能耗，k Wh / mPe高压水射流有效功率，k WP 高压水射流压力，MPaQ 高压水射流流量，L / min由式( 1) 、( 2) 可知，为了提高除鳞除锈作业效率和降低水射流除鳞除锈的比能耗，即提高单位时间内除鳞除锈的作业面积和降低单位面积除鳞除锈耗费的能耗，应当降低水射流有效功率，并提高水射流除鳞除锈基本单元的作业宽幅和横移速度。4.2 大直径旋转磨料水射流工艺 目前，水射流除鳞除锈技术存在以下问题:( 1) 超高压纯水射流虽然以其特有的大直径旋转水射流技术可以高效地完成大面积除鳞、除锈等作业，但由于超高压纯水射流作业介质为纯水，

15、其水射流作业压力至少在 220240MPa 以上才能达到 Sa2.5的除锈质量，而机组功率动辄200kW以上才能保证一定的作业效率，因此超高压纯水射流除鳞除锈比能耗较高;(2) 磨料水射流以多个单束固定磨料射流进行大面积除鳞除锈作业时，虽然作业所需水射流压力较低，但作业宽幅小、作业效率低。即便由多个磨料喷头组成磨料射水流喷头，其作业宽幅不仅有限而且叠加的水射流功率同样较高，因此磨料水射流除鳞除锈比能耗也较高。图2. 水射流除鳞基本作业单元为了实现低功率、大宽幅的水射流除鳞除锈作业，本方案设计了大直径旋转磨料水射流除鳞除锈喷头这一基本作业单元，使多束磨料水射流形成大直径旋转磨料水射流，旋转磨料水

16、射流喷头配置合适的驱动动力使其沿待作业表面移动，这样磨料水射流就实现了由点成线、由线成面地旋转磨料水射流除鳞除锈技术。大直径旋转磨料水射流除鳞除锈喷头结构如图3 所示。其由旋转密封接头、射流喷杆、磨料射流喷嘴、喷头旋转驱动机构和机架组成。类似于超高压纯水旋转射流的旋转密封，旋转磨料水射流的旋转密封接头不仅实现高压水、磨料的旋转密封，还将实现高压水和磨料的稳定输送，使磨料射流从单个磨料射流喷嘴中喷出，而单个磨料射流喷嘴通过合适长度的射流喷杆与旋转密封接头连接，形成所需的射流宽幅。同时，喷头旋转驱动机构提供旋转磨料喷头旋转所需的动力。图3. 大直径旋转磨料水射流除鳞除锈喷头结构示意图大直径旋转磨料

17、水射流除鳞除锈装置性能参数: 射流工作压力 40 60MPa，流量 80L/min，磨料为石榴石，粒度为 0.25 0.6mm，磨料供给量与水的质量比为 10%，射流宽幅300mm，喷头转速150 500r/min,不锈钢板横移速度为1.0-3.0m/min。4.3磨料水射流（AWJ）除锈设备水射流除鳞除锈作业均以高压泵机组作为主机，并以大直径超高压纯水旋转射流喷头或磨料水射流喷头作为基本作业单元，配套合适的执行机构或夹持机构使基本作业单元沿待作业表面移动实现除鳞除锈作业。通常情况下，磨料水射流加工设备分为三个主要模块：数控平台、控制系统以及AWJ系统。国内外研发的AWJ系统各有不同，但是基本

18、组成硬件基本一致，其中：控制系统对整个水射流加工进行控制，喷头装置为主要作用部分，高压射流直接通过喷嘴对物体进行加工处理；增压系统为整个处理工艺提供一定的压力。增压系统 机床主体 数控系统（华臻机械设备有限公司，HJ300型磨料射流除锈机，联系人：何石玲先生，电020-86718082手机：15919685966）与传统的超高压纯水射流和磨料水射流、超声波清洗、激光切割相比，大直径旋转磨料水射流技术具有以下特点:(1) 旋转磨料水射流仍然以磨料水射流为作业手段，不同于超高压纯水射流对作业压力的苛刻要求，极大地降低了机组水射流作业压力、功率工况，有利于降低设备的运行成本和故障发生率；不同于传统的

19、磨料水射流，大直径旋转磨料水射流以较少数量的单个磨料射流实现了大宽幅旋转射流，极大提高了磨料水射流的作业效率;(2) 大直径旋转磨料水射流喷头这一基本作业单元，延续了超高压纯水旋转射流的作业特点，适用于大面积的平面、管件内外壁等作业，使磨料水射流的作业形式更加灵活。(3) 绿色加工，无污染；加工材料广泛；加工能力强，易于实现自动化、集成化。5、 磨粒酸液射流将上述射流介质用酸液替代水流，进行不锈钢表面的喷射处理。三、不锈钢表面钝化工艺方案凡不锈钢零件，如无电镀或者其他涂刷要求，一般都要在预处理（包括酸洗去黑皮、抛光等）后经过钝化处理，才能当成品使用或者装配成部件。事实表明，不锈钢只有经过钝化处

20、理以后，才能使表面保持长久的钝化稳定状态，才能提高耐蚀性能。不锈钢钝化工艺分类钝化方法分为湿法钝化和干法钝化两大类，其中湿法钝化包括化学钝化和电化学钝化，干法钝化主要有室温法钝化和热处理法钝化。在实际生产过程中，比较常用的钝化方法为化学钝化。因此，重点研究化学钝化法的工艺流程及优劣之处。化学钝化又可分为硝酸型钝化和其他型钝化。具体信息如下图 硝酸型钝化 硝酸-重铬酸盐型钝化 硝酸型 硝酸-氢氟酸型钝化 硝酸-盐酸型钝化 化学钝化法 铬酸或铬酸盐型钝化 硫酸型钝化 其他型 双氧水钝化 碱液型钝化 柠檬酸型钝化 不锈钢钝化工艺步骤流动水冲洗干净钝化流动水冲洗干净除油脱脂 烘干包装过纯水流动水冲洗干

21、净配位 工序说明：1. 除油脱脂，如果确信工件表面无任何油污，锈蚀，杂质，可省略此步；2. 钝化，需要将不锈钢钝化液加温到35，将工件在钝化液中浸泡30分钟，必经工序；3. 配位，需要将配位液加温到60，将工件在配位液中浸泡30分钟；4. 过纯水，时间为3分钟，必经工序。备注：1. 工件在进入钝化液前必须清洗干净，如工件在钝化前已经生锈或者有蜡的必须先除锈或除蜡；2. 在进行任何一道工序前必须将工件冲洗干净，表面上不可有上一道工序药液残留；3. 工件在进入钝化液前要尽量干燥，以免工件上夹杂的水液冲淡钝化液；4. 在钝化过程中尽量将钝化槽盖上，以免钝化液蒸发造成资源浪费、环境污染和人员身体损伤。

22、表3、硝酸型不锈钢钝化配方及工作条件硝酸浓度（体积分数）/%工作条件适用钢种资料来源温度/时间/min6-1520室温室温10-3030通用型通用型美国不锈钢手册日本金属表面技术205030通用型中国台湾金属表面处理技术20-40室温-6030-40通用型法国QQ-P-35B30-50室温30-60通用型中国航空工艺技术四、 环保水工不锈钢设备的表面处理工艺方案（草稿）不锈钢酸洗钝化生产线适合于大批量、连续性生产标准件，在连铸带钢生产中普遍采用高标准全自动化的酸洗钝化流水线，取得了很好的效果。本公司的水工设备生产不具备上述生产特点，因水工产品种类多样、产品形状复杂，并没有一个统一的标准酸洗钝化

23、线可以统一处理。考虑到本公司产品的实际情况，结合国内外现有的不锈钢表面处理措施，暂设计如下环保水工不锈钢设备的表面处理工艺方案。1、 产品表面基本情况不锈钢水工设备目前的供货状态为机械加工后直接出厂销售，产品表面质量参差不齐，同一产品进行焊接处理、砂轮打磨和未进行任何表面处理的地方有着截然不同的表面质量，不同产品之间因为材质、加工过程工艺的不同又有着不同的表面状况，虽然以上表面缺陷并不会对产品的使用造成实质上影响，但严重影响了产品的美观，与同行业其他国外产品相比，在表面质量上有较大的差距。因此，如若想要提高在同类产品中的市场竞争力，提高水工设备的表面质量是不可忽视的方面。2、工艺设计原则根据产

24、品的种类形状不同，选择一种可以统一进行表面处理的方法；控制工艺成本，减少对环境的污染，降低对人体的伤害。3、工艺流程工艺流程如下：表面处理前验收脱脂除油水洗钝化前处理水洗钝化水洗中和水洗干燥除氢。其中，钝化前处理措施，基于上文分析，暂定为磨粒水射流进行除锈除鳞。脱脂除油目的：除去金属表面油污等方法：根据工件表面实际油污情况，选择丙酮或者氢氧化钠水溶液进行清洗，作业方式为人工作业，中小型工件可选用脱脂槽（槽的材质可选择普通碳钢）进行脱脂浸泡，大型工件选用人工刷洗或喷洗，所用工具应不被脱脂产品所溶解或者腐蚀；脱脂操作一般限制在15分钟内完成；完成后目视检查，如存在疑问，可重新进行脱脂。要求：脱脂处

25、理一般只涉及奥氏体不锈钢部件在车间制造中受到的轻微污染；对零部件的粗糙表面处应使用经重复蒸馏法处理的清洁乙醇、丙酮等；如果用磷酸钠脱脂，则必须用热水（60）进行洗涤和干燥。水洗目的：清洗残留在工件表面的脱脂剂，为下一步的表面处理做好准备。方法：如脱脂之后还需要酸洗等工艺措施时，可用自来水进行洗涤；局部清洗时可以浸水海绵进行。要求：洗涤时表面的润湿能力可用来评价脱脂的效果，即工件表面的水膜可以均匀润湿工件表面表面脱脂效果完好。磨粒水射流目的：去除工件表面的氧化皮、焊接残渣、锈迹等。方法：在车间内选取或建造一个封闭空间H，从空间H一端开始，布置磨料水射流的水泵、增压系统、控制系统、机床等，配置可在

26、空间自由运动无约束的悬臂，悬臂运动最大行程551，将大直径旋转喷头配置在悬臂梁端口处，使得喷头在悬臂梁空间移动和电机驱动下，可以达到工件的任何部位。要求：暂无水洗目的：洗去残留在工件表面上的磨粒残渣等；方法：用大量的水进行高压喷射洗涤；对局部表面，可采用浸水海绵进行洗涤；如为表面处理的最终工序应在水洗后再用除盐水（电导率小于3us/cm（25）的水称为蒸馏水，将电导率小于5us/cm（25）、SiO2含量小于1000ug/L的水称为一级除盐水）清洗。钝化目的：使工件表面产生保护膜。方法：可根据工件的形状采用浸泡、涂覆或喷淋等方法。如选择钝化池钝化，则钝化池的温度应该在20-50之间，因本公司绝

27、大多数不锈钢产品为304不锈钢材料，因此，从环保和钝化效果考虑，选择硝酸型钝化，钝化剂配方可根据上表选择，浸泡钝化时间可根据浸泡液温度选择。涂覆和喷淋：如选择喷淋法为钝化方法，则可将磨粒水射流除锈前处理和喷淋钝化集成到统一平台下，即利用前处理磨粒水射流的设备，将射流介质替换为钝化液，将钝化液以一定的速度（小于磨粒水射流时的流速）喷射到工件表面，在此工艺下，可在密闭空间H内形成酸雾，在酸射流和酸雾的共同作用下，工件的钝化效果可大大增强。对于废酸的处理，可选用PVC或PP做成集液槽，将此槽设计为周边高中间低样式，放置在工件底部。钝化时间可根据工件表面颜色判断。对于局部钝化和去污，可采用涂覆钝化膏的

28、方法进行：对需去污和钝化的表面涂覆一层较厚的钝化膏；如果需要可进行多次涂覆操作；涂覆时间大约30分钟。要求：暂无洗涤用途：洗去残留在工件上的钝化剂。方法：先用大量的自来水进行洗涤；在正常的情况下，最终工序用A级或B级除盐水进行被处理表面的洗涤；应对最终的洗涤效果进行检查，用PH计或石蕊试纸测定洗涤水的PH值。PH值应为68。干燥用途：去除残留在工件表面的水份。方法：自然干燥或者用无油压缩空气加快其干燥速度。酸洗钝化成本估算根据所查资料，引进一条国外的标准酸洗钝化生产线，投入成本在800万人民币以上，生产线的酸洗成本为70元/吨（不含人工费），因此生产线的投资很大。采用上述工艺，以日酸洗量10吨核算，成本估算如下：表4、酸洗钝化成本核算序号成本项消耗项参数消耗量费用（元）1酸洗用电统装机功率：100KW若干50硝酸浓度98%约150Kg约400元氢氟酸浓度55%约20Kg约90元自来水10T20元合计560元吨钢酸洗钝化成本=56010=56元/吨2射流系统系统各配件增压系统，数控系统，机床等无30万左右3酸洗平台酸洗平台搭建人工费用，土地等无约10万综上，实施此酸洗钝化工艺方案，前期设备引进和平台搭建费用估算为40万；建成以后，每吨钢的酸洗钝化成本为56元。附：AWJ除锈系统工作原理与泵体结构