直冷式鑄造機液壓缸柱塞表面腐蝕的原因分析與控制措施

孫躍鋒，王進良，劉金朋

(河南中孚實業(yè)股份有限公司，河南鞏義451261)

近幾年來，隨著國內(nèi)鋁加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多大型鋁加工廠紛紛上馬先進的全自動扁錠生產(chǎn)線。公司2009年從美國wagstaff引進LHC超低液位全自動直冷式鑄造機，采用液壓缸升降的方式進行控制，經(jīng)過近半年的運行，發(fā)現(xiàn)鑄造液壓缸柱塞表面出現(xiàn)區(qū)域點狀腐蝕現(xiàn)象。隨后，公司組織技術(shù)人員和wagstaff公司工程師進行了現(xiàn)場觀察、測量和相關(guān)試驗，對液壓缸柱塞表面腐蝕的形成原因進行分析，制定出了相應(yīng)的控制措施并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

1 液壓缸柱塞表面腐蝕特征

由圖1(部分腐蝕區(qū)域的照片)可以看到液壓缸柱塞表面腐蝕的主要形態(tài)是孔蝕和片狀脫落，腐蝕面形狀不規(guī)則，大小不一，最大孔直徑約1mm，中心發(fā)黑，外圍鍍鉻層損壞、光澤度降低、表面粗糙。從位置分布上看，在柱塞高度方向上大約有2.5m長，腐蝕區(qū)域上線基本與停機時井底殘留循環(huán)水液面一致，高度與水深基本相同，在區(qū)域內(nèi)腐蝕點呈隨機分布，上部比下部更為嚴(yán)重，靠近接近開關(guān)側(cè)比鄰近兩側(cè)和相反側(cè)的單位面積內(nèi)腐蝕點更多、更嚴(yán)重，接近開關(guān)的相反側(cè)腐蝕點最少，腐蝕程度最小。

2 液壓缸的使用狀況

圖1 柱塞表面腐蝕照片

圖2 鑄造機停機位置示意圖

wagstaff鑄造液壓缸柱塞材料為不銹鋼離心式鑄造中空結(jié)構(gòu)，經(jīng)過整體鍛造機械加工而成，外層采用鍍鉻防腐。液壓缸整體安裝在鑄井底部，通過柱塞的伸縮來實現(xiàn)鑄造機頂板的升降，鑄井一側(cè)墻壁上安裝有測量鑄造平臺位置的接近開關(guān)，接近開關(guān)的護罩為不銹鋼材質(zhì)，與墻壁之間采用膨脹螺栓連接。

柱塞通常直接工作在鑄造用工業(yè)循環(huán)水中，并有部分柱塞在鑄造機停機時一直浸在鑄井底部殘留的水中，水位由液位開關(guān)和排水泵控制，停機水位淹沒最低位接近開關(guān)的部分護罩，如圖2所示為停機狀態(tài)。生產(chǎn)前期鑄造機整體運行率不高，在發(fā)現(xiàn)表面腐蝕情況前較長一段時間內(nèi)鑄造機處于停運狀態(tài)，并且鑄井底部一直殘留有一定深度的鑄造循環(huán)水。

3 液壓缸柱塞表面腐蝕原因分析

從液壓系統(tǒng)理論和生產(chǎn)實踐可知，液壓缸柱塞表面遭受破壞的原因主要有:液壓油內(nèi)含有腐蝕性物質(zhì)或液壓油進水后乳化，機械磨損，氣蝕和金屬電化學(xué)腐蝕。

3.1 液壓油內(nèi)含有腐蝕性物質(zhì)或液壓油進水后乳化

由于發(fā)現(xiàn)的柱塞面腐蝕區(qū)域較長時間處于油缸外部，且通過油品檢驗，液壓油各項指標(biāo)正常，故可排除液壓油的雜質(zhì)腐蝕原因。

3.2 機械磨損

大多是因為液壓油中摻雜硬度較大的顆?；蚧钊旧砟p產(chǎn)生的鐵粉在液壓缸運行過程中對柱塞表面造成擦傷，鍍鉻層脫落后造成損傷部位腐蝕惡化。另外，負(fù)載不均勻造成柱塞過度偏磨，也會損傷偏磨部位的鍍鉻層，導(dǎo)致腐蝕。

因腐蝕點為區(qū)域性不規(guī)則分布，故排除機械擦傷原因。

3.3 氣蝕

產(chǎn)生氣蝕的主要原因是液壓系統(tǒng)中存在一定量的空氣，流動的壓力油液在局部位置壓力下降(流速高，壓力低)，達到飽和蒸汽壓或空氣分壓時，產(chǎn)生蒸汽和溶解氣體的分離而形成大量氣泡;當(dāng)油液中的氣泡從局部低壓區(qū)流向高壓區(qū)時，氣泡破裂消失，在破裂消失過程中形成局部高壓和高溫，金屬表面被氧化剝蝕，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象為氣蝕。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點，然后逐漸擴大成洞穴。

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經(jīng)過對鑄造機液壓系統(tǒng)的仔細(xì)檢查，并未發(fā)現(xiàn)管道和油缸的任何接頭和密封有松動和漏油的現(xiàn)象，油泵未出現(xiàn)異常震動和噪音，液壓缸與柱塞之間的密封并未有損壞，柱塞升降平穩(wěn)，頂板沒有顫動現(xiàn)象。說明系統(tǒng)中并未存在過量的空氣。

整個工作過程中，液壓缸的運行壓力不高。在開始鑄造時，正常的液壓缸壓力大約1.03Mpa，在鑄造結(jié)束時則為3.1Mpa，整個壓力變化的過程歷經(jīng)2個小時左右，并未存在壓力急劇變化的情況。

液壓缸設(shè)計有專用的排氣油路，操作工和維修工進行定期排氣;并且鑄造機的運行率不高，故排除氣蝕原因。

3.4 金屬電化學(xué)腐蝕

當(dāng)金屬被放置在水溶液中或潮濕的大氣中，金屬表面會形成一種腐蝕微電池，在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，使陽極發(fā)生溶解，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，通過此氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕。

腐蝕電池的形成原因主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，空氣中CO2，SO2，NO2等氣體會溶解在這層水膜中，形成電解質(zhì)溶液，而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的。如工業(yè)用的鋼鐵，實際上是合金，即除鐵之外，還含有石墨、滲碳體(Fe3C)以及其它金屬和雜質(zhì)，它們大多數(shù)沒有鐵活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽極為鐵，鐵不斷失去電子而被氧化腐蝕，而陰極為雜質(zhì)，一般只是傳遞電子，又由于鐵與雜質(zhì)緊密接觸，使得腐蝕不斷進行。

為了證實液壓缸柱塞所使用的不銹鋼材料在一定的條件下是否會發(fā)生電化學(xué)腐蝕，WAGSTAFF公司專門進行相關(guān)試驗。

試驗裝置如圖3所示。

試驗容器為非導(dǎo)電材料，容器中盛半箱自來水，加入少量的鹽增加水的導(dǎo)電性。兩個不銹鋼鋼管作為試樣放在水箱的兩側(cè)，直徑為3/8英寸和3.5英寸，分別用外層絕緣的導(dǎo)線連接到一個直流可調(diào)電源的負(fù)極和正極。

隨后將直流電壓增加到24V，保持4個小時后減少到6V保持24小時。在此過程中發(fā)現(xiàn)點蝕速度很快。在不銹鋼管試樣的正面(反相電極的表面)點蝕坑密度明顯高于其他區(qū)域很多(如圖5)。在試樣的左側(cè)與右側(cè)點蝕變得稀少(如圖6)，在反面?zhèn)葞缀鯖]有(如圖7)。

圖3 實驗裝置示意圖

圖4 3.5英寸鋼管3天后表面腐蝕部分

圖5 3.5英寸鋼管正面密集的點蝕坑

圖6 3.5英寸鋼管側(cè)面點蝕坑

圖7 3.5英寸鋼管平滑的反面

由此試驗可以得出結(jié)論:

浸入水中的不銹鋼遇到低電位的金屬物時會產(chǎn)生點蝕，點蝕產(chǎn)生的速度與電壓差以及水的導(dǎo)電性相關(guān)。由于更大的電壓差或更高的水導(dǎo)電率會產(chǎn)生更大的電流，點蝕產(chǎn)生的速度會越快。但是微小的電流仍然可以導(dǎo)致點蝕的產(chǎn)生，只是速度很低。

受到腐蝕的正極，在向著低電位電極的試樣表面上電流密度更高，這導(dǎo)致向著低電位電極的試樣表面上點蝕坑密度更大。

經(jīng)過現(xiàn)場對鑄井墻壁裸露鋼筋頭，鑄井口周圍防護角鐵，鑄井內(nèi)接近開關(guān)防護罩，鑄井口處控制柜到接近開關(guān)之間的端子箱內(nèi)接地線，廠房立柱與液壓缸柱塞之間進行測量直流電壓(mv)，測量結(jié)果見表1。

表1 鑄井周圍各導(dǎo)體之間的直流電壓

由上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鑄井各點之間存在不同的電壓差，各點接地狀況也不同，特別是液壓缸柱塞與接近開關(guān)防護罩、鑄井墻壁鋼筋頭之間存在著62.2mv的直流電壓差。

同時我們也對另外一臺鑄造機進行了相同的檢測，各部分之間的電勢差最大值為1.5mvDC，而且液壓缸柱塞沒有發(fā)現(xiàn)點蝕現(xiàn)象。

鑄造循環(huán)水為普通工業(yè)水，未經(jīng)任何化學(xué)處理，鑄井內(nèi)循環(huán)水化驗結(jié)果 PH值為8.22，導(dǎo)電率為977umhos/cm，略顯偏高。

3.5 腐蝕原因綜合分析結(jié)果

綜合以上原因，認(rèn)為液壓缸柱塞表面產(chǎn)生腐蝕的主要原因是鑄造機長期停滯未進行生產(chǎn)，液壓缸柱塞通過循環(huán)水與周圍低電位的接近開關(guān)防護罩等金屬體形成腐蝕電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕所致，尤其是較大的直流電壓差所形成的電場和循環(huán)水的高導(dǎo)電率無異加大了電化學(xué)腐蝕的速度和強度。

4 消除電位差和防止腐蝕點的措施

為了消除電位差的存在和防止腐蝕點的擴大，采取了三個措施:在接近開關(guān)防護罩與液壓缸安裝環(huán)之間采用接地用扁鋼進行連接，并進行防腐處理;調(diào)整鑄井內(nèi)測量水位的浮球開關(guān)，使每次鑄造完成后鑄井內(nèi)水位降至最低;改變停機期間液壓缸柱塞的停止位置，盡量避免腐蝕點與循環(huán)水長時間接觸。

5 防止鑄造機柱塞表面產(chǎn)生腐蝕的措施

為了最大限度地防止鑄造機液壓缸表面的腐蝕，在選擇質(zhì)量可靠的液壓缸和液壓油的前提下，平時要做好如下幾個方面:做好液壓系統(tǒng)的維護，防止漏油進水和進氣并定期排氣;經(jīng)常檢查主缸的密封，并及時清理和更換;定期檢查分析液壓油油質(zhì)，循環(huán)水水質(zhì)，并做到及時更換;安裝和生產(chǎn)階段注意檢查液壓缸與周圍各部分的連接，保證良好的接地和相同電勢，減少電化學(xué)腐蝕;在長時間停運期間要排除鑄井中殘留的循環(huán)水。

6 結(jié)語

(1)液壓缸柱塞表面腐蝕的主要原因是接近開關(guān)防護罩與液壓缸柱塞之間存在電位差，實施有效控制措施后，經(jīng)過幾個月的運行，再次對柱塞表面進行檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕點數(shù)并無明顯增多，原腐蝕點未出現(xiàn)明顯惡化擴大;

(2)通過液壓系統(tǒng)的合理維護，加強直冷式鑄造機生產(chǎn)運行管理，能有效防止鑄造機柱塞表面產(chǎn)生腐蝕。

［1］劉延俊.液壓系統(tǒng)使用與維修［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5

［2］張應(yīng)龍.液壓維修與技術(shù)問答［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.5

［3］Wagstaff公司關(guān)于液壓缸柱塞表面腐蝕情況的報告