Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТ ОКАЛИНЫ ЛЕНТОЧНОГО ПРОКАТА

Изобретение относится к металлургическому производству и к электролитической 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 металла и при термообработке.

Известен способ травления металлов по патенту RU 2375506, который может быть использован для обработки плоского проката, в частности лент инструментальной стали и/или С-стали. Известный способ включает использование, по меньшей мере, одной пары противолежащих электродов с, по меньшей мере, одним алмазным электродом и/или, по меньшей мере, одним свинцово-оловянным электродом, например, из сплава свинец 93/олово 7, при этом подвод тока осуществляют с одной стороны непосредственно на плоский прокат и с другой стороны на пару электродов. Причем алмазный электрод и/или свинцово-оловянный электрод пары электродов и в соответствующем случае плоский прокат включают в качестве анода, а другой электрод - в качестве катода и плоский прокат направляют между электродами пары электродов. Один из вариантов осуществления изобретения состоит в том, что нижний электрод со стороны ввода соединен с положительным выводом выпрямителя, так что он служит в качестве анода. В этом случае к металлической ленте приложен положительный потенциал. Верхний электрод соединен с отрицательным выводом выпрямителя и служит в качестве катода. За счет непосредственного подвода тока к аноду, которым может быть металлическая лента, вырабатывается кислород в состоянии выделения за счет анодного окисления. Предпочтительный вариант осуществления известного изобретения предусматривает, что постоянный ток прикладывается к плоскому прокату (ленте) в непрерывном режиме, то есть постоянно. В качестве электролитов для очистки металла используются смеси кислот (меланж: смесь HF и HNO₃) из разбавленной азотной кислоты и плавиковой кислоты.

Недостатками известного способа является высокая стоимость кислотных электролитов, а также сложность регенерации или утилизации отработанных травильных растворов, значительные затраты энергии на утилизацию или регенерацию отработанных кислотных растворов, загрязнение окружающей среды вредными выбросами от использованных кислот.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому объекту является способ очистки поверхности металлического изделия в электролите (Патент РФ 2104338, опубликован 10.02.1998 г.). 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.

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 сек 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 способа по прототипу 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/см²) 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.

Задачей и техническим результатом предложенного изобретения являются:

- снижение энергозатрат на единицу площади очищаемой поверхности;

- повышение качества очистки проката;

- повышение стабильности процесса очистки;

- повышение производительности процесса очистки.

Технический результат достигается тем, что в способе электролитической очистки от окалины ленточного проката, включающем непрерывную подачу электролита в электролитическую ванну к очищаемым поверхностям, поляризацию этих поверхностей путем создания разницы потенциалов между прокатом и электродом, протягивание ленты, подключенной к аноду источника тока, через электролитическую ванну, согласно изобретению площадь погруженных в электролит поверхностей ленты определяют по соотношению S_a≤S_к/2, где S_a - площадь погруженных в электролит поверхностей ленты; S_к - площадь поверхности катода,

обработку ленты ведут при разности потенциалов между анодом и катодом от 280 до 340 В и плотности тока на аноде от 0,4 до 0,6 А/см², ленточный прокат протягивают через электролитическую ванну со скоростью, обеспечивающей время прохождения элементарной площадки проката через электролит в пределах от 10 до 20 секунд.

Очистку проката ведут в электролитах, являющихся водными растворами солей с концентрацией от 3% до 10%.

Обработку проката могут вести в электролитах, содержащих добавки хлор- или фторионов с концентрацией от 2 до 8%.

Обработку проката могут вести в 3%-ном водном растворе фторида аммония NH₄F.

Обработку проката могут вести в 7%-ном водном растворе бикарбоната натрия NaHCO₃.

Температуру электролита в ванне поддерживают в интервале от 30 до 80°C.

Выбирают величину площади погружения поверхностей ленты в электролит из условия, что площадь погруженных в электролит поверхностей ленты составляет S_a≤S_к/2, где S_a - площадь погруженных в электролит поверхностей ленты; S_к - площадь поверхности катода, что позволяет уменьшить энергозатраты на единицу площади очищаемой поверхности, что в свою очередь повышает экономическую эффективность процесса очистки проката.

Проведение обработки ленты при разности потенциалов между анодом и катодом от 280 до 340 В и плотности тока на аноде от 0,4 до 0,6 А/см² обеспечивает установление электрогидродинамического режима на активном электроде, при котором обеспечивается переходный режим от пленочного кипения к пузырьковому кипению, при котором вокруг обрабатываемой части ленты образуется стабильная парогазовая оболочка, разделяющая поверхности ленты от электролита. В этой оболочке протекают импульсные электрические разряды и стационарный тлеющий разряд.

Под действием электрических разрядов элементы, входящие в состав электролита, находятся в парогазовой оболочке в ионизированном и возбужденном состоянии, что обеспечивает протекание интенсивных электрохимических реакций, а также электрическую эрозию поверхностей ленты. Это позволяет повысить качество очистки ленточного проката от окалины, 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, повысить производительность этого процесса.

Повышению производительности очистки способствует также протягивание ленточного проката через электрическую ванну со скоростью, обеспечивающей время прохождения элементарной площадки проката через электролит в пределах от 10 до 20 сек, так как сокращается время обработки и уменьшается плотность тока (по прототипу это время составляет от 45 до 90 сек).

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°C. При температуре электролита менее 30°C электрогидродинамический режим переходит в режим нагрева и деталь нагревается до 900-1000°C, а при температуре более 80°C 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/сек) выбирают такой, чтобы время обработки погруженной части составляло 10-20 секунд, обеспечивающее необходимое качество обрабатываемой части ленты. Выполнение указанных режимов позволяет обеспечить качественный непрерывный процесс удаления окалины с поверхности ленты.

Примеры конкретной реализации способа.

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 (лент) размером 60×15 мм. Площадь погруженной в электролит поверхности пластины составляла S_a=6,0 см·1,5 см=9 см².

Катод был выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Площадь поверхности катода S_к=8,0 см·15 см=120 см².

Процесс очистки проводили в водном растворе 3% NH₄F при начальной температуре 30°C. Напряжение на электродах 280 В, плотность тока на активном аноде 0,4 А/см², время обработки 10 секунд. После обработки поверхность стальной ленты имеет равномерный зеркальный блеск.

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 виде пластин (лент) размером 60×15 мм. Площадь погруженной в электролит поверхности пластины составляла S_a=6,0 см·1,5 см=9 см².

Катод был выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Площадь поверхности катода S_к=8,0 см·15 см=120 см². Процесс очистки проводили в проточном 7%-ном водном растворе бикарбоната натрия при температуре электролита 50-55°C. Напряжение на электродах 290 В, плотность тока на активном аноде 0,6 А/см², время обработки 15 секунд. После обработки поверхность стальной ленты имеет равномерный зеркальный блеск.

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 (лент) размером 60×16 мм. Площадь погруженной в электролит поверхности пластины составляла S_a=6,0 см·1,6 см=9,6 см².

Катод выполнен из нержавеющей стали размером 80×150×0,3 мм в виде полуцилиндра. Площадь поверхности катода S_к=8,0 см·15 см=120 см².

Процесс очистки проводили в водном растворе 3% NH₄F при температуре 80°C. Напряжение на электродах 340 В, плотность тока на активном аноде 0,5 А/см², время обработки 20 секунд. 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.