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，喬梁，俞斌

（浙江工業大學化學工程與材料學院，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*，喬梁，俞斌

（浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310032）

研究了線材運動時線材直徑、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)大量涉及到將連續運動的線材表面化學液體分離或清除的工藝過程。由于線材進出處理槽均系連續高速，線材攜帶出的液體量遠大于常規表面處理方法，因此，如何降低液體攜帶量是人們關注的一個重點。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物質和金屬，造成資源浪費和嚴重的水體污染。雖然采用較先進的逆流漂洗法[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藥品，但這種方法需要蒸發濃縮的工藝配合才能實現漂洗水的完全閉路循環[3]，且設備投資大，維護成本高，大范圍應用受到了限制。本文模擬研究了運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 實驗

2. 1 實驗裝置

實驗裝置如圖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。線材為經過脫脂和干燥處理的鋼絲，其水平運動過程中需保持平直。收線電機采用變頻調速。實驗槽長度為80 cm，以保證線材表面充分浸潤。

圖1 實驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental device

2. 2 實驗步驟

(1) 將測定了黏度的氫氧化鈉溶液放入實驗槽內，關閉閥門2，啟動提液泵，將下槽的溶液泵入上槽，充分循環。

(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，再將溶液倒入實驗槽內。

(3) 實驗前啟動提液泵，將下槽的溶液泵入上槽并浸沒線材。

(4) 啟動收線電機，記錄走線速度v和走線時間t。

(5) 關閉收線電機，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，本實驗采用更為有效的同心圓氣流，實驗裝置如圖1b所示，該實驗裝置串聯于圖1a所示的A處。空氣壓縮機型號為ACP-10，日本產。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。

實驗步驟：

(1) 重復2.2的實驗步驟(1)、(2)、(3)；

(2) 啟動空氣壓縮機，調整壓力調節閥至試驗壓力；

(3) 重復2.2的實驗步驟(4)、(5)。

3 結果與討論

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。線材運動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的關系如圖2所示，圖中的每條曲線表示當3個參數(D、v和η)中的其中2個為固定值時，另一個參數與線材液體攜帶量?V的關系。固定值設定為：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。生產中常將金屬線桿電鍍后再機械拉拔至所需直徑，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的增大呈對數方式增加。只有當黏度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。

當線材以速度 v穿過上槽液體時，可認為線材四周的液體被分割成無數極薄的圓筒層，一層套著一層，各層以不同的速度向前運動。最靠近線材的極薄層液體也以走線速度 v隨線材運動，運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長度范圍內被線材帶出去的可能性，與線材表面狀態、液體的性質有關。

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

根據實驗裝置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，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

當線材直徑為4.0 mm，溶液黏度為45 mPa·s時，施加1 kgf(相當于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%)。如果將氣流室設計成漏斗結構，液體攜帶量將會進一步減少。

顯然，裝置(見圖1)的改動之處是在線材的前進方向上(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。旋渦氣流產生的壓差形成強烈的切向力，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，如圖6所示，設δ(y)為液體流受線材的帶動而產生的附面層厚度，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)的代數和就是運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 兩種流動介質的作用方式Figure 6 Action mode for two kinds of flowing media

4 結論

(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方式增加。只有當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生了具有壓差的旋渦氣流，該氣流形成強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. 間歇逆流漂洗傳質過程漂洗槽液濃度的控制——電鍍漂洗水閉路循環處理的關鍵[J]. 材料保護, 1992, 25 (1): 38-41.

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

[4] 劉式適, 付遵濤, 劉式達, 等. 龍卷風的漏斗結構理論[J]. 地球物理學報, 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、材料電化學和無氰電鍍方面研究。

姜力強，教授，(E-mail) jiliqi@zjut.edu.cn。