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）

【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)動時線材直徑、走線速度和液體黏度對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

1 前言

金屬線材的表面處理(如電鍍)大量涉及到將連續(xù)運(yùn)動的線材表面化學(xué)液體分離或清除的工藝過程。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)注的一個重點(diǎn)。目前普遍使用的是水漂洗法，這種方法對水的消耗很大，同時漂洗過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)動線材的液體攜帶量的影響因素，并用空氣作動力降低了線材的液體攜帶量，同時也大大減少了水的消耗。

2 實(shí)驗

2. 1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置如圖1a所示。上槽通過線材處開有溢流孔，用提液泵將溶液從下槽泵入上槽浸沒線材，再從溶液的溢流孔流回下槽，如此循環(huán)。線材為經(jīng)過脫脂和干燥處理的鋼絲，其水平運(yùn)動過程中需保持平直。收線電機(jī)采用變頻調(diào)速。實(shí)驗槽長度為80 cm，以保證線材表面充分浸潤。

圖1 實(shí)驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental device

2. 2 實(shí)驗步驟

(1) 將測定了黏度的氫氧化鈉溶液放入實(shí)驗槽內(nèi)，關(guān)閉閥門2，啟動提液泵，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量溶液的體積，記為V1，再將溶液倒入實(shí)驗槽內(nèi)。

(3) 實(shí)驗前啟動提液泵，將下槽的溶液泵入上槽并浸沒線材。

(4) 啟動收線電機(jī)，記錄走線速度v和走線時間t。

(5) 關(guān)閉收線電機(jī)，打開閥門，放出溶液并計量溶液體積，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)驗采用更為有效的同心圓氣流，實(shí)驗裝置如圖1b所示，該實(shí)驗裝置串聯(lián)于圖1a所示的A處?？諝鈮嚎s機(jī)型號為ACP-10，日本產(chǎn)。壓力測試采用U型水銀壓力計，氣隙(氣流室壁與線材的間距)為0.3 mm，氣流室長度為50 mm。

實(shí)驗步驟：

(1) 重復(fù)2.2的實(shí)驗步驟(1)、(2)、(3)；

(2) 啟動空氣壓縮機(jī)，調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥至試驗壓力；

(3) 重復(fù)2.2的實(shí)驗步驟(4)、(5)。

3 結(jié)果與討論

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個參數(shù)(D、v和η)中的其中2個為固定值時，另一個參數(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的增大呈對數(shù)方式增加。只有當(dāng)黏度η大到某一值時，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穿過上槽液體時，可認(rèn)為線材四周的液體被分割成無數(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。最靠近線材的極薄層液體也以走線速度 v隨線材運(yùn)動，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時，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濕程度決定了在?L長度范圍內(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，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)計成漏斗結(jié)構(gòu)，液體攜帶量將會進(jìn)一步減少。

顯然，裝置(見圖1)的改動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種不同的流動介質(zhì)，如圖6所示，設(shè)δ(y)為液體流受線材的帶動而產(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)用氣流漂洗時隨線材帶出的液體量。氣流壓力的大小對δ*(y)有著重要的影響。

圖6 兩種流動介質(zhì)的作用方式Figure 6 Action mode for two kinds of flowing media

4 結(jié)論

(1) 表面處理時，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數(shù)方式增加。只有當(dāng)溶液黏度大到某一值時，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。這是因為在線材表面產(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。

[1] KUBIK C. Spülen—theoretische Grundlagen und Berechnungen der Spülsysteme: Teil 7 [J]. Galvanotechnik, 1998, 89 (9): 3041-3051.

[2] 趙俊三. 間歇逆流漂洗傳質(zhì)過程漂洗槽液濃度的控制——電鍍漂洗水閉路循環(huán)處理的關(guān)鍵[J]. 材料保護(hù), 1992, 25 (1): 38-41.

[3] 蘇遠(yuǎn)波, 李清彪, 王遠(yuǎn)鵬, 等. 高速電鍍銀漂洗水的近零排放技術(shù)[J].現(xiàn)代化工, 2009, 29 (4): 43-46, 48.

[4] 劉式適, 付遵濤, 劉式達(dá), 等. 龍卷風(fēng)的漏斗結(jié)構(gòu)理論[J]. 地球物理學(xué)報, 2004, 47 (6): 959-963.

[ 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)和無氰電鍍方面研究。

姜力強(qiáng)，教授，(E-mail) jiliqi@zjut.edu.cn。