【技术论坛】钢桶真空清洗干燥设备的研制（2）

　　清洗是指用某些力物理力或化学力把污垢从被洗物上除掉。能够准确的通过使用的清洗力清洗要素的种类来分类，清洗要素主要有溶剂的溶解力、界面活性力、化学反应力、吸附力、物理力等，通常进行清理洗涤时，很少单独使用一种力，而是将几种力组合使用。

　　常用溶剂主要是水和有机溶剂两类。水是一种廉价的溶剂，可溶解电解质有机、无机、碳水化合物、蛋白质、脂肪酸、酒精类等，具有不燃、无毒、无味、无臭，且不需要复杂的附属设备的优点。水的缺点是对油脂类的溶解力不足。除掉该类污垢时，需要与其它清洗要素组合使用。有机溶剂的种类极多，通常根据清洗目的来选择和组合使用。在使用时，还应当最大限度地考虑经济性（溶剂的回收利用等）与使用性（易燃性、阻燃性、爆炸性、毒性、公害、废液处理等）。

　　界面活性剂是含有疏水基亲油基和亲水基的有机物，吸附在固一液界面、液液界面、气一液界面上，是一种可显著改变界面性质的材料。根据其分子结构的不同，分为阴离子界面活性剂（最常见的是肥皂、合成洗涤剂等）、阳离子界面活性剂（作为杀菌剂、消毒剂使用）及非离子界面活性剂（能够与酸性溶液及碱性溶液混合使用）三类。应用广泛。

　　如果选择对污垢和被洗物都最为恰当的化学药品并进行完善的处理，这是最为简单、有效、且经济性好的清洗要素，但其缺点是易损伤被洗物，且对操作者有危害等。酸类洗涤剂大多数都用在除去金属类的污垢（金属表面的锈迹、氧化皮、变质层等），碱类洗涤剂大多数都用在除去油脂性（动植物性、矿物性）污垢以及蛋白质、淀粉等的高分子有机物（加水可分解为低分子）形成的污垢。

　　物理力（热、压力、摩擦力等）是与溶解力同等重要的清洗要素，不利用物理力的清洗系统能够说是不可能的。加热不仅可使化学反应速度加快（温度每升高100度反应速度约增加一倍），而且可使高粘度油脂类的粘度降低，来提升洗涤效果搅拌和刷洗等引起的摩擦以及用高压水喷射等均可使污垢与被洗物分离，使污垢易溶于溶剂。推动清洗。

　　在决定清理洗涤方法时，需弄清被洗物的特性和污垢的性质。要掌握被洗物所用材料的物理性质是属于易受损伤表面还是坚硬表面，与洗涤剂是否起

　　化学反应等。对于污垢，在选用合适的清洗方式时，还要看其粘附状态、所属种类等污垢的粘附状态如图2.1所示，从机械性的覆盖至渗透、扩散到被洗物内部，有各种各样的状态。状态可较容易地除去，但状态要完全除去是困难的，对被洗物的损伤不可避免。各种状态都需要通过考虑综合使用合适清洗力，完成清洗。

　　油桶的结构封闭，成圆筒形，上顶面有两孔，其中之一为G2的螺纹孔，另一孔直径为G3/4。待洗油桶由于在运输装卸过程中经常发生碰撞，很多油桶有歪瘪的情况。如图2.2所示。

　　为了能够清楚的了解待洗油桶内部状况，特从某油库随机抽取6只装过润滑油的空油桶（编号为No1、No2、No3、No4、No5、No6），分别沿中轴线按圆周六等分剖开六分之一，进行观察分析，结果如表2.1所示。

　　根据上表能够准确的看出，大部分油桶中内部布满油污，局部有点状锈蚀，而对于锈蚀较多的油桶已经失去了清洗意义，不能再用。

　　油污的主要成分是重油及当油桶闲置时掉入桶中的粉尘等固体沉淀物，经过一段时间后，沉淀物和重油凝结在一起粘在油桶内壁形成油污块。

　　锈蚀的主要成分是氧化铁。当油桶置于潮湿空气中时，由于空气中氧气的氧化作用，生成了氧化铁，即铁锈。

　　根据油桶内部的污物分析可知，油桶内的污物主要是油污和铁锈。油污粘在油桶内壁上，铁锈常常被油污包裹，附着在油桶内壁上，形成很大的污垢块，其中部分污物仅轻轻附着在桶壁的表面，而有些污物则是胶着在桶壁上的顽固污块。由于油桶污物的这种特性，需要首先选择除去油污，当油污全部去除干净后，藏于油污下的锈蚀将会完全暴露出来，接着进入下一个工位进行酸洗除锈蚀。待酸洗结束后‚油桶内还残留有部分酸液，酸液长时间存在于桶内将腐蚀油桶，且将影响所装油品的质量，所以必须将油桶内残留的酸液除去，于是碱中和是该清洗工艺中必不可少的步骤。通过碱和酸的中和反应除去桶内的酸液，之后在同一工位再通入清水进行漂洗将没有消耗的碱液漂洗出油桶。漂洗后的油桶内有大量的水，若此时直接出料，油桶内的水结合空气中的氧气作用很快使油桶再次生锈，所以必须在清洗结束后添加有几燥过程。因为桶内残留大量的水分，在真空清洗干燥中使用的清洗剂为碳氢溶剂，碳氧溶剂与水不溶，将形成乳化液，不方便循环利用，难于处理，所以必须在真空清洗一于燥二位之前设有将水从油桶中除去的工位，即切水工位。切水结束后的油桶内还残留有大量的切水剂以及在之前清洗过程中没有完全清除干净的污物。进入干燥工序后，进行真空蒸汽清洗和真空干燥将油桶边角和小缝隙中的污垢及最后留于油桶内的碳氢溶剂最终被除去。干燥结束后，油桶出料。此时的油桶内没有了油垢和锈蚀等污物，而且油桶内部干燥。综上所述‚选择了如下的清洗工艺如图2.3所示。

　　既然要进行清理洗涤，就要考虑选用何种洗净介质的问题。清洗剂的选择要根据被清洗物品的性质及污物的特点来判断。对于油桶来说，油污主要是油桶所装油的凝结物，还含有部分粉尘。这些油污有些浮于表面，有些则附着在油桶内各个转角的间隙处。总之，油桶上的污物附着形式都很复杂，因此就需要流动性较好，溶解油污能力较强，可以喷淋冲洗的清洗剂。

　　近半个世纪以来，氟氯烃（ODS）类清洗技术以化学性能稳定、去污力强、毒性低、与金属、非金属材料有极好相溶性及安全速干等独特的优点，在机械制造、电子等行业的清洗领域占据了主导地位。但它既是破坏地球表面臭氧层的元凶，又是造成了一定的环境污染的源头。出于对保护臭氧层这一人类面临的全球性环境问题的急迫感，联合国决定在2005年全面禁止使用ODS类清洗技术。在我们国家的经济快速地发展的同时也开始注重环境污染问题，我国先后加入了两个保护臭氧层的国际环境公约：《关于保护臭氧层的维也纳公约》和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并签订了《中国清洗行业整体淘汰计划》。

　　自我国加入了两个保护臭氧层的国际公约后，以前所沿用的ODS有机溶剂被禁止使用，因此寻找非ODS清洗剂及相应的工艺迫在眉睫。许多企业及科研单位都在不断研制新的环保型清洗剂，随着科学技术的发展，当前已有多种环保型清洗剂可当作ODS清洗剂的替代品，但是还没有一种可以将其完全替代。例如，有些企业使用水基清洗剂来替代ODS清洗剂，但是水基清洗剂对油脂及亲油污物的溶解性、渗透性和分散性能力差。

　　在日本最早提出了碳氢溶剂青洗。碳氢溶剂一般都会采用馏程范围在150~190℃，闪点范围在50~70℃的正构烷烃，在这种馏程内，碳氢溶剂的安全性和干燥性得到了优化。由于正构烷烃的化学结构稳定，连续加热蒸馏回收后不会破坏化学结构，实验多个方面数据显示对铁、铜、铝、锌等金属产生的腐蚀远远低于环烷烃、芳香烃、卤代烃，多次蒸馏仍旧能使用。而三氯乙烯等卤代烃溶剂几次蒸馏后就不能够再使用，其原因就在于卤代烃中的卤素原子的活性很大，容易被其他原子或原子团所取代，例如氯离子被执离子替代，而发生了酸败反应，反复蒸馏使用后洗净力下降，还会对金属产生腐蚀作用，湿气存在时会慢慢分解，例如，潮湿时遇光生成盐酸。碳氢溶剂还有许多优点清洗性能好，材料相溶性好，蒸发损失小，能够彻底挥发，没有残渣，无毒，不破坏环境，价格低等。

　　综上所述，采用碳氢溶剂作为轴承清洗介质是可行的，为便于研究，现将其主要特征归纳如下，作为设备设计过程中的参考依据。

　　（1）属于非ODS物质，不破坏臭氧层。碳氢溶剂中不含氯，可以自然降解，符合环保要求。

　　（2）碳氢溶剂属于有机溶剂，其废液可以放入炉中焚烧，焚烧的生成物主要是二氧化碳和水，对空气没有污染，不会对环境能够造成威胁。

　　（3）对油污的洗净能力强，碳氢溶剂清洗润滑油、防锈油和机加工油等矿一物油的效果要比用卤代烃和水基清洗剂好。

　　（4）碳氢溶剂中不含水分和氯、硫等腐蚀物，对大部分塑料和橡胶没有溶解、溶胀和脆化作用，而且不会造成钢铁等金属生锈腐蚀，能保证清洗质量。

　　（5）使用成本低。碳氢溶剂能轻松实现循环蒸馏再生利用，其沸点一般在150℃以上，所以在保管和使用的过程中挥发损失比较小，长期使用成本要比传统的清洗剂降低很多，能轻松实现高质量低成本的运作模式。

　　（6）碳氢溶剂为无味或只有微弱气味的液体，与人体接触为低毒，不属于致癌物质，对清洗操作人员及对绝大多数材料安全。

　　（7）碳氢溶剂是一种很纯净的溶剂，不含水分，在常温或加温状态下可完全挥发，烘干后在工件表面无残留，没有残留物有助于提高工件清洗质量，避免锈蚀。

　　碳氢济剂具有可当作清洗剂的许多优点，但是它还是不能完全代替传统的卤代烃ODS清洗剂。碳氢溶剂有沸点高（在150℃~190℃之间的碳氢溶剂都有），闪点低（一般在50℃~70℃之间较多）的特点。这种特性使得碳氢溶剂相对于传统ODS清洗剂具有了以下缺点：

　　（1）沸点高使碳氢溶剂的干燥速度较低，干燥性不如传统的卤代烃溶剂，它的理化特性决定了在实际使用的过程中，需要干燥装置。

　　（2）较低的闪点决定了碳氢溶剂比较易燃，在清洗、干燥和蒸馏再生中采取防火措施。

　　（3）如果为了能够更好的保证产品的清洗质量，需要定期对清洗液进行蒸馏回收，或在清理洗涤设施上加装减压蒸馏装置。

　　（4）虽然从长远来看，碳氢熔剂的使用能够更好的降低成本，但是目前碳氢清理洗涤设施价格较高，一次性投资较大，使得推广起来具有一定难度。

　　油桶在潮湿的空气中受电化学腐蚀，形成了锈蚀。形成锈层的主要成分如表2.2所示。

　　从上表能够准确的看出，锈蚀的主要成分为Fe2O3+2H2O，可以再一次进行选择用酸来除去锈蚀。其原理是通过酸与氧化铁的化学反应生成溶于水的盐来锈蚀，即：

　　除锈清洗剂是由清洗主剂、缓蚀剂及助剂组成的。清洗剂的选择是清洗工作成败关键的一环，它直接影响设备的清理洗涤效果、除垢率、腐蚀速率及工艺条件、经济效果等。实际施工时‚要根据设备类型、材质、垢的组成‚认真选择。

　　设备材质有碳钢、奥氏体不锈钢、铜系金属、铝、钛等。常用的酸洗液有硫酸、盐酸或盐酸与氢氟酸、硝酸或硝酸与氢氟酸、氨基磺酸、柠檬酸或氨化柠檬酸等，他们的适应性见表2.3及表2.4。

　　油桶清洗机需要清洗油桶的数量很大，酸液的消耗量也很大，所选取的酸液必须除锈速度快且满足经济性。盆酸与钢铁、铁锈、氧化皮反应速度比硫酸、柠檬酸、甲酸快得多，而且清洗后表面状态好。在众多的无机酸中，盐酸的价格最便宜。结合表2.3和表2.4考虑，选择盐酸为除锈清洗液的主液。

　　一般盐酸浓度为5%~15%，清洗温度从常温至60℃均可。为保护油桶不被腐蚀或减少腐蚀，必须加入适当的缓蚀剂。缓蚀剂能抑制酸对碳钢的腐蚀并具有非常好的渗氢抑制能力。目前市场缓蚀剂种类很多，在盐酸中加入不同的缓蚀剂其效果不同，如表2.5所示。

　　因为酸洗过程中温度不能过高，根据酸洗温度条件、缓蚀效果及缓蚀剂的价格选择Lan-826为除锈清洗液的缓蚀剂。

　　Lan-826缓蚀剂是多用型酸洗缓蚀剂，外观为淡黄色液体，相对密度1.06，微碱性，不燃烧。既适用于氧化性酸；又适用于非氧化性酸既适应于多种无机酸；又适用于多种有机酸。Lan-826缓蚀剂具有优良的缓蚀效果，在一般酸洗条件下，腐蚀速率不大于1mm/a。Lan-826可以有明显效果地抑制钢在酸洗时对氢的吸收和Fe3+对金属的腐蚀，使金属酸洗时不产生孔蚀。

　　Lan-826缓蚀剂用量少，费用低，操作简单便捷，稳定性很高，无臭无味，使用安全，特别是能避免误用缓蚀剂造成的危险。

　　在酸洗过程中，随着垢皮和铁锈的溶解，酸洗液中的Fe3+持续不断的增加。由于Fe3+是一种有效的阴极极化剂，当它在阴极区被还原成“的同时，在阳极区就有相应的金属被腐蚀下来，反应式如下：

　　从而进一步加速了油桶的腐蚀。绝大多数的缓蚀剂对Fe3+的抑制作用较差。Fe3+对腐蚀速率的影响见图2.4。

　　从图中能够准确的看出，三种情况下的腐蚀速率均随Fe3+的升高而升高，由此可见，缓蚀剂对氢离子的抑制作用是明显的，金属腐蚀的重要的因素是Fe3+浓度升高。

　　为了降低Fe3+的浓度，进而降低腐蚀速率，往往加入还原剂，使Fe3+还原为Fe2+。常用的还原剂有Na2SO3、SnCl2、H2PO3、N2H4。

　　三种不同的缓蚀剂和不同还原剂的存在对腐蚀速率及缓蚀效果的影响见表2.6。

　　从表2.6中能够准确的看出，SnCl2在Lan-826存在的条件下和不同的Fe3+的质量浓度下使金属均表现出较低的腐蚀速率和较好的表面状况。其中，SnCl2和Fe3+反应式如下：

　　综上所述，除锈清洗液配方为：浓度为10%盐酸为清洗主液，按质量百分比浓度为0.1%Lan-826缓蚀剂，及浓度为1.5g/L的SnCl2还原剂。

　　经过酸洗后的油桶内，残留有酸液，酸液的存在将腐蚀油桶。在中和工位中‚先往油桶内通入清水漂洗后，通入碱液进行中和。中和过程中使用的碱性物质，包括化学结构属于碱类的物质和水解显碱性的盐类，常用的盐有碳酸钠、磷酸钠和硅酸钠，有时也用它们的钾盐。表2.5是常用碱类的结构及它们的浓度为1%时水溶液的pH值。

　　氢氧化钠（NaOH）俗名烧碱，是白色吸湿性强的固体物质。它的水溶液常被用作便宜的强碱性溶液使用，腐蚀性很强，对皮肤有强烈的腐蚀作用，会引起皮肤炎症，使用时要十分注意安全。

　　氢氧化铵（NH4OH）是氨气的水溶液（NH3+H2O）。一般浓氨水中NH3的质量分数可达28%~29%。氨水不稳定易挥发，常温下也会游离出有强烈臭气的氨气来，对眼睛、鼻腔都有刺激性。必要时要隔离操作，取用时有一定困难。

　　碳酸钠（Na2CO3）是一种白色结晶固体，也是一种价格实惠公道的强碱性物质。在清洗领域有广泛用途。它有几种含水化合物，其中含10个结晶水的Na2CO3+10H2O，水溶性好，俗名碱性苏打。

　　碳酸氢钠（NaHCO3）也是一种白色结晶物质，它的碱性较弱，水溶液值较低（8.4），在洗涤中也可当作碱剂使用，俗称小苏打。

　　磷酸钠（Na3HPO4）是磷酸的正盐，它的水济液pH值较高，适合做强碱性先涤的助洗。

　　磷酸二氢钠（Na2PO4）是磷酸的酸式盐,水溶液的值比磷酸钠低,适合作弱碱性洗涤剂的助洗剂。

　　从实用性、经济性及可靠性三方面考虑，选择碳酸钠（Na2CO3）为油桶清洗中中和工位的清洗液。由于酸洗工位中使用的酸液欲酸浓度较高，宜选用相当值较高的碱液，在以所列碱中碳酸钠的价格最便宜，且其对人体不会产生伤害，所以最终选择碳酸钠为中和工位的清洗液。

　　在切水工位中，通入切水剂将油桶内部残留的水置换出油桶。因为在下一个工位，即真空清洗干燥工位中，使用的清洗液是碳氢济剂，所以在切水工位中宜使用碳执类切水剂，在切水工位中残留的碳氢切水剂进入到真空青洗干燥工位中，省去再次分离过程，使工艺过程更加简洁。

　　铱诺NINO 1-286-S WTR是一种用在所有金属、树脂、塑料等制品经水性洁洗后过程中的脱水处理的产品，其是由高精度碳氢类化合物通过极度高温度高压力条件下生产的合成类产品。本品在电子行业、精密加工行业存在广泛的应用。

　　铱诺NINO 1-286-S WTR的脱水原理是利用本身的极强的脱水能力切去物体表面水分，使水分从物体表面剥离，切除的水分沉于容器低部，铱诺NINO 1-286-S WTR不用更换，只需添加即可，如此更可提高生产效率。

　　本章根据待洗油桶的实际污垢情况及锈蚀情况分析，制定了油桶清洗工艺为除油——除锈——中和漂洗——真空清洗及干燥。根据环保要求及除污能力要求确定除油清洗剂为碳氢溶剂。通过一系列分析锈蚀成分确定除锈清洗剂成分：浓度为10%盐酸为清洗主液，按质量百分比浓度为1.2%LAN-826缓蚀剂，及浓度为1.5g/L的SnCl2还原剂。中和碱液的确定为碳酸钠溶液。确定碳氢切水剂铱诺NINO 1-286-S WTR为切水工位的切水剂。