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对各种铜带材表面清洗技术的分析和评价

[ 关键词:铜带材表面清洗技术 发表日期:2019-02-22 09:31:21 ]

  本文介绍了铜带材表面污染物的种类,对各种铜带材表面清洗技术的分析和评价,对清洗机组的设备配置提出了一些参考意见。

  目前,用户对铜板带材表面洁净度的要求越来越 高,如某些框架材料表面残油含量甚至要求达到 5 mg /m 。因此,对于表面洁净度要求较高的产品,在加 2 磨,除去固体污染物及不能冲洗掉的覆盖物。目前出现 一种“ 免刷洗 ” 理论,希望清洗高端产品时不产生刷洗 纹路,保持带材的精轧光洁度,但目前还没有实现。

2. 1 脱脂 工过程中必须进行清洗处理, 除去残留油分 、 金属氧 化物及其他污染物 。

  铜带材的生产工艺流程一般为 :铸锭加热 → 热轧 → 铣面 → 粗轧 → 切边 → 钟罩炉退火 → 表面清洗 (中间清洗 ) → 预精轧 → 展开式连续退火 → 精轧 → 表面清洗 (成品清 洗)→ 拉弯矫直 → 剪切 → 包装 → 入库。钟罩式退火处理 后的中间清洗,主要是除去带材表面的金属氧化物和残 留灰分 ;连续式退火一般先进行脱脂清洗,防止残留润滑 液污染退火炉,影响光亮退火 ; 精轧后的成品清洗,主要 任务是满足用户对表面清洁质量的要求 是 [2] [1] 脱脂方法有溶剂脱脂 、 碱液脱脂 、 超声脱脂 、 高压 热水脱脂 、 电解脱脂等 。

2. 1. 1   溶剂脱脂 利用脱脂溶剂将带材表面的油分溶解,并一起收 集到一个容器, 将易挥发的溶剂挥发 、 收集 、 重复使 用,污染物分离出循环系统 。早期采用过这种方法, 存在清洗效率低 、 维护困难 、 污染环境等问题 。 的亲油基有助于将油溶入水中而实现脱脂 。
2. 1. 2   碱液脱脂 近年来开发出了许多种表面活性剂,表面活性剂 。 无论是 成 品 清 洗 还 是 中 间 清 洗, 其 基 本 要 求 : 制品的表面污染物必须清除干净 、 彻底 ; 带材本 碱液脱脂是一个复杂的化学 - 物理过程,除皂化 反应外,有时还有乳化反应和吸附反应等 。典型的皂 化反应式如下 [3] 身不受损失或损失很小, 呈现金属本身的光泽 ; 在保 证质量的前提下, 尽量缩短清洗时间, 以提高生产效 率,减少金属损失 。 : 1  表面污染物分类 铜带表面主要污染物 : 乳液 、 轧制油 、 助滤剂 、 金 属屑 、 金属氧化物 、 、 灰分 腐蚀物 、 其他杂质等 。 表 1、 2分别为各种轧制油和乳液外观、 表 及其在不 同温度下残留灰分情况 [4 ];表面污染物种类见表 3。 目前工业用脱脂剂都是复合试剂,溶液温度 60 ~ 70 ℃。
2. 1. 3   超声脱脂 超声脱脂是利用超声波在带材上下表面产生高 速振动进行脱脂,多用于单体和形状不规则元件 。
2. 1. 4   高压热水脱脂 不使用脱脂剂,将去离子水加热到 70 ~80 ℃, 在 大约 40 bar的压力下直接喷射到带材表面进行清洗, 适用于厚度 ≥0105 mm 的铜带材,效果可以达到碱脱 2 脂的水平 ( 5 mg /m ),既经济又环保 。
2. 1. 5   电解脱脂 2  清洗方法及效果 铜带表面清洗通常有脱脂清洗、 酸洗清洗 、 表面研 磨、 钝化处理等方法。脱脂和酸洗后一般必须刷洗和研收稿日期 : 2007 2 2 10 11 电解脱脂, 铜带材作阴极产生 H2, 对带材表面油 污等产生冲刷作用 ; 阳极产生 O2,部分为原子态存在,有色金属加工 高压热水脱脂 : < 5 m g /m 。表 1  各种轧制油的密度及外观编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 2 第 37 卷 氧化能力极强, 可提高脱脂效果 。

  从而解决了碱喷 射、 刷洗不能完全接触表面微观凹陷部分的问题 。 通常,碱脱脂剂喷洗或高压热水脱脂加刷洗的清 洗效果能够满足大部分用户的要求, 如有特殊要求, 可多种方法联合使用 。根据实践经验, 各种脱脂方法 的脱脂效果 (铜带单侧 )如下 : 碱脱脂剂喷雾加刷洗 : 4 ~6 m g /m ; 碱脱脂剂刷洗加电解脱脂 : 1 ~3 mg /m ; 超声波 : 2 ~4 mg /m ; 2 2 2 油品牌号 外观状态 密度 / g?cm - 3 G - 46 (润滑油 ) 7. 558 淡黄透明,少量絮状沉淀 铜带精轧油 (润滑油 ) 8. 0066 黄色透明,无沉淀物 S OMENT N60 (润滑油 ) OR 8. 0092 黄色透明,无沉淀物 GEUEX 24B (润滑油 ) 7. 9514 棕黄透明,无沉淀物 PROS 67 (乳剂 ) OL 8. 3290 棕黄透明,无沉淀物 苏州 691 (乳剂 ) 8. 1136 深棕红,无沉淀物 铜带轧制油 (乳剂 ) 7. 9654 深棕色,无沉淀物 表 2  各种轧制油的灰分及残灰形态编 号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 350 ℃ 煅烧 1 h 550 ℃ 煅烧 1 h 灰重 / g 残灰形态 0. 0144 0. 1905 内壁有黑色膜 、 少许剥落 、 底部无残留物 0. 0306 0. 3822 内壁有黑色膜 、 底部有少许黑色粒状物 0. 0490 0. 6118 内壁有黑色膜 、 底部有光泽黑色膜 0. 0621 0. 7808 内壁变黑 、 中下部有黑色粒结物 0. 2920 3. 5058 ( 0. 1753) 内壁有黑色膜、 部分剥落、 底部有泡沫状隆起物 0. 4052 4. 9904 ( 0. 2497) 内壁中下部有绿色焦状物,底部有黑色块状物 0. 3842 4. 8234 ( 0. 2412) 内壁变黑 、 下部与底部有黑色结状物 灰分 / % 灰重 / g 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 灰份 / % 残灰形态 0024 0. 0318 无明显残留物,仅有几条灰色痕迹 0020 0. 0250 底部有少量白色聚合物,内部有棕色薄膜 0030 0. 0375 坩埚中下部有微量黑色粉末 0032 0. 0409 内壁中下部与底部有浅绿色聚合物 0594 0. 7132 ( 0. 0357) 底部有烟丝状聚合物 2154 2. 6548 ( 0. 1327) 下部有浅灰及黑色膜状碎片 、 底部有黄色膜 2148 2. 6967 ( 0. 1348) 底部有黑色与棕黄色粘结物 注 : ( ) 内数值为折算的等量 5%乳液浓度应有的残灰值 表 3 

  表面污染物污染分类 前部工序 表面污染物 ① 粗轧后覆盖带材表面的轧制润滑液及污染 颗粒 ; ② 退火后的表面氧化物和乳液挥发后残留的污 染物 [ 4 ] ; ③ 在生产过程中存放时间过长,引起表面变色 ; ④ 轧制不良引起的异物压入等表面缺陷 。 ① 残留在带材表面的轧制润滑油和固体颗粒 ; ② 生产过程中因存放时间过长引起的表面变色 ; ③ 高速轧制时带材表面的轻微氧化 。 高硫酸的反应速度,进而提高酸洗效果 。 此外,还有超声波酸洗和电解酸洗 。超声波酸洗 是在传统的酸洗槽内安装超声波装置,超声波在带材表 面产生的高频振荡可以使酸洗效率提高 1. 5 倍,是一种 快速酸洗方式 ; 电解酸洗是利用电解原理强化酸洗过 程,提高酸洗的表面质量及酸的利用系数。纯铜带经过 电解酸洗后可以获得具有化学抛光效果的表面 [3] 1类 粗轧或钟 罩炉退火 2类 精轧 。

2. 2   酸洗 铜和黄铜通常采用 5 % ~15 %的硫酸溶液,青铜 的浓度要高一些 ( 10 % ~20 % ), 酸洗温度一般为 40 ~60 ℃,酸洗时间从几秒到几十秒不等 。 酸洗方式通常有两种。一种是浸没式,即将带材浸 入酸洗液,主要用于清除铜带表面较厚的氧化膜,适用于 厚度小于 2 mm 的带材 ;另一种是喷淋式,即将高压酸洗 液均匀喷射在带材上下表面上,主要用于清除较薄的氧 化膜。现代化的酸洗生产线大多采用喷淋式酸洗。

2. 3   表面研磨 酸洗主要用于去除带材表面的氧化物 。酸洗前 应进行脱脂,否则因油脂覆盖, 氧化物不能完全去处 。 紫铜 、 黄铜及青铜带材, 通常采用硫酸水溶液酸洗, 其 工艺过程是 : 酸洗 → 冷水洗 → 热水洗 → 烘干 。 铜材表面的氧化层主要由氧化铜及氧化亚铜组 成,酸洗时氧化铜及氧化亚铜与硫酸的化学反应如下 : CuO + H2 SO4 →CuSO4 + H2 O Cu2 O + H2 SO4 →Cu + CuSO4 + H2 O 研磨清洗的方法有抛光 、 滚刷和滚磨等 。研磨生 产线的工艺流程通常为脱脂 →水洗 →酸洗 →研磨水 洗→ 钝化防锈处理 → 干燥 。 抛光是使用加有研磨剂 (碳化硅、 氧化铝等 ) 的抛 光轮 (布、 、 麻 树脂等制成 ) 洗刷、 抛光带材表面 。通过 选择不同材质的抛光轮,可以改变带材的表面粗糙度 。 刷光的刷辊种类很多, 如尼龙滚筒刷 、 不锈钢丝 刷、 含有磨料的螺旋形胺纶辊刷及无纺材料制成的研 磨辊等 。

  还可以增加研磨刷辊箱的数量, 或配置不同 类型和规格研磨刷辊, 以保证带材的清刷质量和表面白铜由于含镍,热处理后表面生成绿色的 N i2 O 和 N iO,这些氧化物结构致密且硬而脆, 与硫酸水溶液反 应的速度很慢,若采用硫酸进行酸洗,则效率很低 。因 此,一般采用硝酸水溶液或在硫酸水溶液的基础上加入 少量的硝酸 ( HNO3 )来提高其酸洗效果,其反应式为 : N iO + H2 NO3 →N iSO4 + H2 O N i2 O + H2 NO3 →N iSO4 + H2 O + H2 近年来,有在硫酸中添加 4 % ~6 %过氧化氢等 氧化剂的光亮酸洗 。过氧化氢属于强氧化剂, 可以提 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.   1期 第    有色金属加工 53 粗糙度 。对于表面要求较高的产品, 可采用不加酸洗 段的清洗机列,取消刷洗,避免刷痕 。

2. 4   表面钝化处理 钝化 → 干燥 → 表面缺陷检测 → 剪切 → 卷取。 (具体配 置可根据工艺需要选择 ) 。机组主要设备及功能如下 : 表 4  各类清洗机组的主要参数及用途机组 适用带材 机组最大速度 类别 厚度 /mm /m? in - 1 m 薄带 0. 05 - 0. 8 200 清洗机组 中厚带 0. 5 - 3. 0 60 清洗机组 厚带 1-6 60 清洗机组 功用 以清洗成品 、 除油脱脂为主, 可以不配置酸洗段 。 以清洗在制品 、 除氧化物为 主,可以不配置钝化段 。 既可清洗厚成品带又可清洗 在制品,以酸洗为主 。 铜及铜合金带材在大气中很容易被氧化, 尤其是 在高温 、 高湿及污染环境中, 铜带表面会随着时间的 推移而逐渐变色 。防止铜材表面变色的对策是钝化 处理 。苯丙三氮锉 (简称 B. T A ) 是最广泛使用的有 . 机钝化剂 。为了进一步提高钝化效果, 防止带材表面 有白色 B. T A 结晶析出,添加了促进其在水中溶解的 . 成分 。这种改进型钝化剂能够在铜材表面快速形成 均匀的钝化膜 。由于这种钝化剂没有发泡性能, 使用 时既可以采用浸入式, 也可以采用喷淋式 。循环使用 的钝化剂, 控制浓度范围为 012 % ~015 %, 温度为 钝化过程中,还要经常检测钝化液的离子浓度 。循环 过程中,铜带表面的金属粒子及其他残留污物会造成 钝化液中离子浓度的提高, 达到一定程度时应彻底更 换,重新配制钝化液 。 60 ~85 ℃。普通自来水含有钙 、 镁等离子, 可与 B TA   ①储料台及开卷机,用于展开带卷 ; ②头部剪切机, 用于剪切带材头部, 便于带材连 接 ; 尾部剪切用于分卷,卸下料卷 ; ③缝合机,将前后两卷带材的头尾连接, 保证作 业的连续性 。通常, 薄带采用焊接连接, 厚带采用机 械连接 ; ④脱脂清洗,由脱脂喷淋洗刷箱 、 脱脂液槽 、 冷水 清洗室 、 热水清洗室及间隔挤干辊等组成, 刷洗采用 尼龙刷 ; ⑤酸洗机,用于洗掉带材表面的氧化物 ; ⑥刷洗机,刷洗箱内装有高速转动的研磨刷辊, 刷除表面铜粉及其它杂质 ; ⑦钝化箱,循环使用的钝化剂在铜带表面形成钝 化膜,起防锈效果 ; ⑧干燥箱,将带材干燥,便于保存 ; ⑨卷取机及储料台,用于带卷的卷取 。 反应生成结晶,影响使用效果, 因此应使用去离子水 。

3  清洗工艺

  清洗工艺主要包括 : 清洗方案选择 、 相关介质及 浓度选择 、 温度控制 、 各段张力选择 、 刷洗力选择 、 清 洗速度选择等 。以下是某产品的典型清洗工艺 : 带材厚度 : 0. 5 mm; 碱液 : 浓度 0. 3 %,温度 80 ℃; 脱脂刷洗电流 : 40 % ; 酸洗刷洗电流 : 50 % ; 开卷张力 : 20 N /mm ; 卷取张力 : 20 N /mm ; 2 2 5  结论 ①中间清洗以清洗氧化物为主,主要考虑酸洗效 果,可以不配置脱脂和钝化段 ; ②精轧后的成品清洗以脱脂为主 ; 有些情况可以 不配置酸洗段, 减少酸洗影响和刷痕, 是生产高精尖 产品常采用的方法 ; ③在硫酸中添加少量的过氧化氢和硝酸可以实 现光亮清洗 ; ④为保证带材的表面质量及存放过程中不变色, 脱脂 、 酸洗后要进行钝化处理 。 参考文献 [ 1 ] 龚寿鹏 . 现代锡磷青铜带生产工艺和技术 [ A ]. 2005 年中国首届国 H2 SO4 溶液 : 浓度 15 %,温度 60 ℃; 干燥箱热风温度 : 70 ℃; 机列速度 : 50 m /m in。 4  清洗设备 传统的铜板材清洗采用槽式清洗,即将板料装在 专用的料筐内, 吊入酸洗槽内浸泡一段时间后取出, 随后进行水洗及烘干 。这种方式生产效率低, 酸洗质 量差,仅适用于厚板清洗 。目前, 多采用连续清洗机 组, 速 度 大 多 在 60 ~ 100 m /m in, 最 高 的 达 到 200 m /m in。按处理带 材规 格可 将清 洗机 组分 为薄 际铜板带研讨会文集 [ C ], 2005. [ 2 ]

  比较完善的清洗机组的设备配置 : 开卷 → 剪切 → 工, 1997. 缝合 → 脱脂清洗 → 水洗 → 酸洗 → 水洗 → 刷洗 → 水洗 → 有色金属加工    吹扫系统的设计应注意以下几个要点 : 第 37 卷 辊轴承座上分别设弧形钢板 (即挡油装置 ),其作用是 将吹向轧辊两侧的轧制油挡在轧制区里, 防止轧制油 飞溅 。

2. 3   吹扫装置 ①采用由电磁阀控制的多个喷嘴吹扫,当带材宽 度改变时,可以通过电磁阀开关控制吹扫宽度 ; ②吹扫区域应考虑周到 。辊缝吹扫能最大程度 地将带材两边的轧制油驱除 ; 辊面吹扫可将工作辊面 带过来的油吹到两侧 ; ③采用低压 、 大流量吹扫方式, 这样能降低喷嘴 的噪音,同时不至于造成轧制油再次飞溅到板面上 。
2. 4   挡油帘及真空抽吸 机后压缩空气吹扫是去除板面残油的关键环节, 一般包括辊缝吹扫 、 辊面吹扫 、 上板面吹扫 、 下板面吹 扫 。图 4 是吹扫系统示意图 。 对于带材宽度范围变化较大的轧机,为了防止轧 制油通过辊缝喷射到出口侧, 可在出口侧加设挡油 帘 。挡油帘由液压马达或气马达驱动, 可根据带材宽 度调整挡油范围 。挡油帘与轧机牌坊及轧辊形成相 对封闭的区域,也有利于真空抽吸的效果 。 真空抽吸用于抽吸板面以下的油气和油雾 。由 于高速轧制时轧制油会产生一定的雾化, 板面以上的 油雾可通过排烟罩排出, 但板面以下的油雾在上升过 程中遇到带材会凝结在板面上 。

  通过真空抽吸系统 可将板面下方的油雾抽走, 这样就能大量地减少油雾 在下板面上的凝结,从而减少带材的残油量 。 除上述除油装置外,国外的一些轧机上还采用了 气刀 、 边部抽吸等装置 。

结语

   铝带材轧机的板面除油一直是一个技术难 题,设计时可以根据轧机的具体情况对各种除油装置进 行优化配置,再通过现场调整达到满意的除油效果 。

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