鄭精武,吳明軍,姜力強(qiáng),喬梁,俞斌
(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江 杭州 310032)
【三廢治理】
金屬線材表面處理的水污染和解決方案
鄭精武,吳明軍,姜力強(qiáng)*,喬梁,俞斌
(浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與材料學(xué)院,浙江 杭州 310032)
研究了線材運(yùn)動(dòng)時(shí)線材直徑、走線速度和液體黏度對(duì)金屬線材液體攜帶量的影響。用空氣流降低了線材的液體攜帶量,并給出了相應(yīng)的模型解釋。
金屬線材;表面處理;水污染;液體攜帶量
金屬線材的表面處理(如電鍍)大量涉及到將連續(xù)運(yùn)動(dòng)的線材表面化學(xué)液體分離或清除的工藝過(guò)程。由于線材進(jìn)出處理槽均系連續(xù)高速,線材攜帶出的液體量遠(yuǎn)大于常規(guī)表面處理方法,因此,如何降低液體攜帶量是人們關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。目前普遍使用的是水漂洗法,這種方法對(duì)水的消耗很大,同時(shí)漂洗過(guò)程也攜帶出大量的化學(xué)物質(zhì)和金屬,造成資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的水體污染。雖然采用較先進(jìn)的逆流漂洗法[1-2]處理漂洗水可有效降低水資源的消耗和回收部分化學(xué)藥品,但這種方法需要蒸發(fā)濃縮的工藝配合才能實(shí)現(xiàn)漂洗水的完全閉路循環(huán)[3],且設(shè)備投資大,維護(hù)成本高,大范圍應(yīng)用受到了限制。本文模擬研究了運(yùn)動(dòng)線材的液體攜帶量的影響因素,并用空氣作動(dòng)力降低了線材的液體攜帶量,同時(shí)也大大減少了水的消耗。
2. 1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1a所示。上槽通過(guò)線材處開有溢流孔,用提液泵將溶液從下槽泵入上槽浸沒線材,再?gòu)娜芤旱囊缌骺琢骰叵虏?,如此循環(huán)。線材為經(jīng)過(guò)脫脂和干燥處理的鋼絲,其水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需保持平直。收線電機(jī)采用變頻調(diào)速。實(shí)驗(yàn)槽長(zhǎng)度為80 cm,以保證線材表面充分浸潤(rùn)。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental device
2. 2 實(shí)驗(yàn)步驟
(1) 將測(cè)定了黏度的氫氧化鈉溶液放入實(shí)驗(yàn)槽內(nèi),關(guān)閉閥門2,啟動(dòng)提液泵,將下槽的溶液泵入上槽,充分循環(huán)。
(2) 停止提液泵,打開閥門1和閥門2,放空溶液并用量筒計(jì)量溶液的體積,記為V1,再將溶液倒入實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)。
(3) 實(shí)驗(yàn)前啟動(dòng)提液泵,將下槽的溶液泵入上槽并浸沒線材。
(4) 啟動(dòng)收線電機(jī),記錄走線速度v和走線時(shí)間t。
(5) 關(guān)閉收線電機(jī),打開閥門,放出溶液并計(jì)量溶液體積,記為V2。體積變化?V = V1?V2,則為線材的液體攜帶量。
2. 3 在線氣流回收——減少液體攜帶量的方法
常用的氣流回收是用壓縮空氣吹去線材表面攜帶的液體,本實(shí)驗(yàn)采用更為有效的同心圓氣流,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1b所示,該實(shí)驗(yàn)裝置串聯(lián)于圖1a所示的A處。空氣壓縮機(jī)型號(hào)為ACP-10,日本產(chǎn)。壓力測(cè)試采用U型水銀壓力計(jì),氣隙(氣流室壁與線材的間距)為0.3 mm,氣流室長(zhǎng)度為50 mm。
實(shí)驗(yàn)步驟:
(1) 重復(fù)2.2的實(shí)驗(yàn)步驟(1)、(2)、(3);
(2) 啟動(dòng)空氣壓縮機(jī),調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥至試驗(yàn)壓力;
(3) 重復(fù)2.2的實(shí)驗(yàn)步驟(4)、(5)。
3. 1 線材溶液攜帶量的影響因素
液體攜帶量與線材表面粗糙度、線徑、走線速度和溶液黏度等有關(guān)。線材運(yùn)動(dòng)30 min后攜帶的氫氧化鈉溶液體積?V與線徑D、走線速度v和溶液黏度η的關(guān)系如圖2所示,圖中的每條曲線表示當(dāng)3個(gè)參數(shù)(D、v和η)中的其中2個(gè)為固定值時(shí),另一個(gè)參數(shù)與線材液體攜帶量?V的關(guān)系。固定值設(shè)定為:D = 4.0 mm,v = 5 m/min,η = 45 mPa·s。
圖2 線材液體攜帶量的與線徑、走線速度及溶液黏度的關(guān)系Figure 2 Relationship between the volume of dragged-out liquid and wire diameter, speed and liquid viscosity
從圖2可以看出,液體攜帶量?V與線徑D成正比。生產(chǎn)中常將金屬線桿電鍍后再機(jī)械拉拔至所需直徑,這樣可以有效降低液體攜帶量。液體攜帶量?V隨走線速度v的增大呈對(duì)數(shù)方式增加。只有當(dāng)黏度η大到某一值時(shí),攜帶量?V才隨著黏度η的增大而明顯增大。
當(dāng)線材以速度 v穿過(guò)上槽液體時(shí),可認(rèn)為線材四周的液體被分割成無(wú)數(shù)極薄的圓筒層,一層套著一層,各層以不同的速度向前運(yùn)動(dòng)。最靠近線材的極薄層液體也以走線速度 v隨線材運(yùn)動(dòng),運(yùn)離線材的薄層液體的速度依次降低,直至最外面為零,這些不同速度的薄層液體就粘附在線材表面四周構(gòu)成了一個(gè)厚度層為δ(y)的液體圓筒層,δ(y)的大小直接反映了線材攜帶液體量的多少,如圖3a所示。當(dāng)攜帶液體的線材恰好從槽中的溶液出來(lái)時(shí),速度小的薄層液體因重力作用脫落,而大于臨界速度的部分薄層液體仍被攜帶,此時(shí)如同在線材表面的圓周方向包覆了一層液體膜。這層液膜可理解為由無(wú)數(shù)的小液珠疊加組成,如圖3b所示。這些小液珠與線材之間的潤(rùn)濕程度決定了在?L長(zhǎng)度范圍內(nèi)被線材帶出去的可能性,與線材表面狀態(tài)、液體的性質(zhì)有關(guān)。
圖3 線材攜帶液體的模型Figure 3 Model for drag out of liquid by wire
3. 2 氣流清洗效果
根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置1b,線材直徑為4.0 mm,溶液黏度為45 mPa·s,走線速度為5 m/min,在相同的走線時(shí)間內(nèi),不同空氣壓力下的液體攜帶量如圖4所示。
圖4 氣流壓力對(duì)液體攜帶量的影響Figure 4 Effect of air pressure on the volume of dragged-out liquid
當(dāng)線材直徑為4.0 mm,溶液黏度為45 mPa·s時(shí),施加1 kgf(相當(dāng)于9.8 N)氣流壓力前后,不同走線速度的液體攜帶量如表1所示。
表1 走線速度對(duì)液體攜帶量的影響Table 1 Effect of speed on the volume of dragged-out liquid
從圖 4可以看出,隨著氣流壓力的增大,液體攜帶量逐漸降低。表 1顯示液體攜帶量雖然仍隨走線速度的增大而增大,但施加了1 kgf的氣流壓力后,攜帶出的液體量大大減少(約 65%)。如果將氣流室設(shè)計(jì)成漏斗結(jié)構(gòu),液體攜帶量將會(huì)進(jìn)一步減少。
顯然,裝置(見圖1)的改動(dòng)之處是在線材的前進(jìn)方向上(如A處)施加了氣流壓力,這樣附近的線材四周形成了旋渦式的氣流,其模型如圖5所示。旋渦氣流產(chǎn)生的壓差形成強(qiáng)烈的切向力,將線材表面的液體剝離[4]。
圖5 氣流漂洗示意圖Figure 5 Schematic diagram of air rinsing
如果把液體和空氣作為2種不同的流動(dòng)介質(zhì),如圖6所示,設(shè)δ(y)為液體流受線材的帶動(dòng)而產(chǎn)生的附面層厚度,δ*(y)為沿線速相反方向施加空氣流的附面層厚度,那么δ(y)與δ*(y)的代數(shù)和就是運(yùn)用氣流漂洗時(shí)隨線材帶出的液體量。氣流壓力的大小對(duì)δ*(y)有著重要的影響。
圖6 兩種流動(dòng)介質(zhì)的作用方式Figure 6 Action mode for two kinds of flowing media
(1) 表面處理時(shí),線材攜帶的液體體積與線材直徑成正比。液體攜帶量隨走線速度的加快而呈對(duì)數(shù)方式增加。只有當(dāng)溶液黏度大到某一值時(shí),攜帶量才隨著黏度的增大而明顯增大。
(2) 在線材表面施加空氣流,線材攜帶出的液體量顯著減少,且隨著氣流壓力的增大而明顯減少。這是因?yàn)樵诰€材表面產(chǎn)生了具有壓差的旋渦氣流,該氣流形成強(qiáng)烈的切向力將線材表面的液體剝離。
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[ 編輯:吳定彥 ]
Water pollution caused by surface treatment of metal wire and its solution scheme //
ZHENG Jing-wu, WU Ming-jun, JIANG Li-qiang*, QIAO Liang, YU Bin
The effects of wire diameter, speed and liquid viscosity on the volume of dragged-out liquid were studied. The volume of dragged-out liquid was decreased by air flow and the corresponding model explanation was given.
metal wire; surface treatment; water pollution; volume of dragged-out liquid
Department of Chemical and Materials Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China
X703.1
A
1004 – 227X (2010) 08 – 0037 – 03
2010–03–13
2010–04–14
鄭精武(1975–),男,浙江江山市人,碩士,副研究員,從事表面處理、材料電化學(xué)和無(wú)氰電鍍方面研究。
姜力強(qiáng),教授,(E-mail) jiliqi@zjut.edu.cn。