一种钛合金酸洗设备及特点

摘要：钛合金工件在铸造过程中会在其表面产生一种不溶性的氧化层，这层氧化层又称α层，须通过酸洗方法将其去除。文章主要结合钛合金的酸洗工艺，介绍一种适用于钛合金酸洗的流水线设备及其特点，并分析酸洗中易出现的问题及解决办法。

关键词：酸洗；钛合金；酸洗设备；酸气净化；氧化层 文献标识码：A

中图分类号：TQ153 文章编号：1009-2374（2015）05-0037-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.0351

1 概述

由于钛及钛合金在铸造过程中表面会形成一种氧化层和其他污物，并且铸件的壁厚对其力学性能也有一定的影响。因此，在喷砂工序后须通过酸洗将其α层去除，并按工艺要求去除壁厚以达到所需工艺要求。由于HF+HNO3有酸洗速度快，酸洗效果好的特点，因此钛合金酸洗一般采用HF+HNO3酸洗工艺。而这两种酸均为强酸，且在酸液配比中所占比重较大，浓度较高。因此，对酸洗设备及酸雾净化设备要求都极高。本文主要介绍一套适用于钛合金酸洗的设备及酸雾处理系统，以提高酸洗效率改善酸洗效果和酸雾处理能力。

2 酸洗设备

酸洗一般需经过深酸洗、轻酸洗、水冲洗、水浸洗、去离子水清洗、干燥等过程，并对酸洗过程中产生的酸雾进行净化处理后再排放。

2.1 装料、卸料区

由于厂房一般为矩形设计，酸洗线一般采用直线型布局，因此装卸料区一般选择在酸洗线的始端和末端，采用升降机装卸工件。为了更有效充分地利用酸洗槽空间，同时避免工件与槽体的撞击，设计时，跑车轨道的中心线与槽体中心线重合，并将跑车轨道设计成椭圆形封闭轨道，以便于吊装工件（如图1）。

图1 吊车设计图

2.2 酸洗段

酸洗段包括深酸洗和轻酸洗。酸洗一般在酸洗槽或特定的塑料滚筒中进行，这里我们采用酸洗槽的方式，同时，为了充分利用槽体容积，将所有槽体水平方向设计成正方形（见图1）。钛合金的酸洗中硝酸和氢氟酸的配比一般要达到15∶1以上，其中深酸洗段两种酸的浓度均超过10%。同时，随着酸洗的进行，酸液的温度会逐渐上升。而工艺上对铸件酸洗温度的要求一般在10℃～60℃之间。因此，需对酸洗槽安装冷却装置。这里我们采用在槽内盘冷却管的方式，冷却设备的功率需根据酸液的量和工艺要求的冷却速度而定。而由于温度的上升、酸液的腐蚀性，同时对酸洗槽材料的性能要求也较高。这里我们选择耐腐蚀性、耐酸性、耐高温并且强度大的PVC材料作为酸洗槽的内板，在PVC板外层，包裹耐腐蚀性能较好的316不锈钢，以增强其槽体强度和美观性。同时，为了增强铸件的酸洗均匀性，在槽子底部接入压缩空气管路，在铸件酸洗过程中对酸液进行

搅拌。

2.3 漂洗段

酸洗之后铸件要进行漂洗，以去除铸件表面残留的酸液，使铸件不再被酸腐蚀。因此，对漂洗水的相关参数要求比较高。漂洗段包括水冲洗和水浸洗。槽体的设计以及材料的选择均与酸洗段相同。由于漂洗槽内水的电导率会随着清洗下来的残留酸液及钛屑的积累而缓慢上升，漂洗水的电导率过高会导致铸件表面清洁度下降。因此，水冲洗槽需配备高压水枪，对刚酸洗后的铸件表面再次进行整体冲洗，之后浸入水浸洗槽。为了使铸件洗得更均匀彻底，除了在槽底安装压缩空气管路外，还将水冲洗槽和水浸洗槽设计成逆流漂洗的方式。逆流漂洗是使水浸洗槽中的水在高液位点流向水冲洗槽中的低液位点（见图2），以增加水的流动性。

图2 漂洗段槽体设计

2.4 去离子水清洗段

铸件在酸洗和漂洗过后，表面的电导率依旧较高，为了降低其导电性，需再进行一次去离子水热水清洗。去离子水通过去离子水设备进行制备，去离子水设备是离子交换系统是通过阴、阳离子交换树脂对水中的各种阴、阳离子进行置换的一种传统水处理工艺，其出水电导率可低于1us/cm以下，出水电阻率达到1MΩ・cm以上，根据酸洗工艺对水质的要求，可以控制其出水的电导率。去离子水的工艺分为几种，由于酸洗工艺对水质的要求较高，因此主要选用处理水质质量较好的EDI工艺，该工艺流程主要为：原水多介质过滤器活性炭过滤器软化水器中间水箱低压泵pH值调节系统高效混合器精密过滤器高效反渗透中间水箱EDI水泵EDI系统微孔过滤器储水箱热水槽。然后铸件进入热水槽进行最后一道清洗，以达到所需清洁度。

图3 去离子水设备

2.5 干燥段

干燥系统用来烘干去离子水清洗后的铸件。干燥过程一般分两个阶段：第一阶段使用高压压缩空气枪吹扫，以清除铸件表面水分；第二阶段可采用热空气干燥，也可直接晾干。以节约成本起见，这里，我们采用悬挂晾干的方式。

2.6 酸气净化系统

由于硝酸氢氟酸在酸洗过程中会挥发产生酸雾，因此在酸洗末端，需要一套酸雾净化系统来净化酸洗产生的废气。净化后的气体排放浓度达到国家允许排放浓度标准。在（HNO3+HF）混酸酸洗过程中，主要产生大量的NOx废气，浓度较高，如果不经过适当的净化处理达到排放标准，烟囱会产生“黄龙”现象，从而污染环境。

目前酸洗产生的废气可用化学处理方法，活性炭吸附，和喷雾培烧工艺（SCR处理工艺）。化学处理工艺主要用于小型生产线，并且会产生废液；活性炭吸附方法处理废气不彻底；实践证明，SCR处理工艺更适合处理高浓度NOx废气，使酸洗废气达到排放标准。

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，“有选择性”地与废气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。SCR处理工艺的主要原理为：NOx废气填料吸收塔酸雾风机前置预热器气―气换热器燃气预热器尿素喷入混合器SCR反应器总抽风机烟囱。SCR目前已成为世界上应用最多，最为成熟有效的一种NOx净化处理技术，典型SCR反应条件下的化学反应式为：

NO2+NO+2NH3=2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O

通过使用合适的催化剂，上述反应可在260℃～350℃的温度范围内进行。反应时，酸洗废气中的NOx和外界喷入的NH3进行反应，可以得到97%以上的脱硝率。在反应过程中，NH3可以选择性地和NOx反应生成N2和H2O，因此反应又被称为“选择性”。

3 结语

本文所介绍设备适用于一般钛合金酸洗生产，但由于酸洗存在挥发性和腐蚀性，因此对设备的腐蚀问题期待在以后的研究中继续探讨。

参考文献

[1] 张妍.酸洗工艺段设备与控制系统[J].自动化应用，2011，（4）.

[2] 白云燕.不锈钢酸洗线NOx废气处理工艺及应用探讨[J].山西建筑，2012，38（29）.

[3] 谢成木.钛及钛合金铸造[M].北京：机械工业出版社，2004.

作者简介：李佳云（1986-），女，辽宁丹东人，北京百慕航材高科技股份有限公司设备工程师，硕士研究生，研究方向：设备现场技术支持及工装模具设计。