线材表面除鳞技术的发展

摘要  简述酸洗工艺技术的发展过程，介绍机械除鳞技术的方法，并着重介绍整捆式大盘重现代化的线材抛丸机的结构和各部分功能，同时又对相关的消耗材料钢丸及经抛射后线材表面质量的判定标准作了详细的介绍。

关键词  酸洗工艺  抛丸机  钢丸  标准

化学酸洗的种类很多，国内外常见的方法有：

圆形酸洗、直线酸洗、振动酸洗、密闭酸洗、长度方向酸洗、电解酸洗、超声波酸洗、螺旋酸洗、连续酸洗、EC处理、平放螺旋酸洗法、滑轮法、封闭酸波酸洗等。

化学酸洗是一种危害极大的除鳞技术。由于我国环保要求越来越严格，酸洗法将逐渐被淘汰，而机械除鳞技术克服了酸洗的许多缺点，所以近年来发展很快。

1  机械除鳞的方法

1.1 反复弯曲法

线材在辊上弯曲时，其表面受反复拉伸和压缩，氧化铁皮就会受到多次摩擦冲击，致使延伸性能较低的氧化皮疏松破裂而脱离金属母体。

常见的反复弯曲法有3种，它们是直线型双向弯曲（90°型），三相弯曲型，在圆周的方向每隔60°进行一次反复弯曲和二平面型。目前二平面型广泛使用，其缺点是会造成线材扭转。

反复弯曲的除鳞效果只能达到70%-90%，因此在反复弯曲之后都带有精加工部分。如日本大和机工公司制造的MBTD-5型除鳞机，就是在反复弯曲后面再配以钢丝刷，处理线材的规格为Ø5.0-7.0mm，最高速度为130m/min；日本钢管公司制造的V2-C型除鳞机在反复弯曲的后面加上带磨料的尼龙刷子，其处理线材的规格为Ø5.0-16.0mm；还有日本北海钢公司制造的HK型除鳞机，它是在反复弯曲的后面再加钢球或碎屑研磨。处理规格为Ø5.0-6.5mm线材，处理速度为130-150m/min。

钢刷除鳞也是机械鳞的一种方式，它是利用高速旋转的钢刷来清除氧化铁皮的。质量优良的钢刷是由优质高碳钢丝制成的，除氧化皮时钢刷的压力最好是可调的。

国外的行业专家和学者对机械去锈进行了大量的研究，如法国的Michel Baroux的研究报告指出：用直接拉伸变形的方法使线材脱鳞时，变形开始阶段除鳞效果大，残余氧化皮的重量减少很快，然后则慢慢地减少，若变形量超过12%之后，残余氧化皮的重量实际上趋于常数。这个试验说明变形除鳞并不能除掉全部氧化铁皮。报告还指出了线材原氧化皮的数量、表面粗糙对除鳞效果的影响。它们之间的关系是线材氧化皮量大时，反而能以小变形量来达到除鳞目的，而线材表面的粗糙度越大就越不容易除鳞。

在反复弯曲除鳞时，如果其它条件不变，当辊径小，线材直径大，辊间距小，压下量大，屈服强度低时，线材的延伸就大。

反复弯曲清除氧化铁皮时，辊子通常设计成两个互成90°的平面，以确保所有的线材表面变形。当线材经过辊子时，最外面的表面被延伸，而内表面被压缩。有关文献介绍弯曲除鳞设计的要点是线材在辊上的包角为360°，辊径一般为线材直径的20倍左右为好。

1.2 离心抛丸法

1.2.1  离心抛丸法的原理

离心抛丸法是利用高速旋转的抛丸轮将直径为0.1-0.8mm或再大一些的球型或带棱角的丸粒，借助抛丸轮内高速旋转的叶片，将丸粒加速到75-100m/s的速度，定向地抛射到被加工金属的表面，依靠弹丸所具有的动能来破坏或打碎被加工金属表面的氧化皮。

近来，抛心潮设备在性能上和可靠性方面均有明显的提高。在线材及制品行业已引起足够的重视，被认为是取代酸洗最值得信赖的技术。

1.2.2 离心抛丸机的型式

离心抛心潮机分为单线纵向喷吹、多线横向喷吹、整盘线材散圈抛丸、整捆式大盘重抛丸4种型式。

连续式直通抛丸机常见的有1根、5根、15根、18根，最多40根。为了保证清除铁皮的效果，一般配置3-6个抛射装置，这些抛丸轮配置在线材的上部或下部，可纵向抛射，也可横向喷射，抛出的丸粒扇面要覆盖线材通过的整个宽度。这种抛丸机大多数与其他设备组成联合生产线，如单根抛丸与联合拉拔机线成抛丸联合拉反作业线；18根抛丸机和铅淬火炉相结全，组成抛丸――铅淬火联合生产线。这两条作业线的速度分别为60-120m/min和10-13m/min。同时抛射多根钢丝是充分利用了抛射流的优点，但其缺点是需要配置大量的放线架和卷丝机，这就需要很大的场地。

在20世纪80年代，为了节约费用的空间，许多工厂试用了盘重为250-300kg的成盘抛射装置，即整捆式大盘重抛丸机。由于当时的抛丸设备未能解决线材相互缠结，导致抛射时间较长和线材之间相互拉扯难以分离的问题，这就使具有较高生产能力的成盘抛丸机不能充分发挥它的潜力。

由于高速线材轧机的问世，粗规格大盘重(1-1.5t)线材已大批量生产。为适应线材工业的发展，对抛丸机进行了有效的技术改进，其中最主要的是线材摆放及运动载体，解决了抛丸时的分离问题，从而为钢丝生产厂家所接受。

2  抛丸机的结构与技术功能

2.1 抛丸室

抛丸室是一个密闭的工作室，内部有一台或多台抛丸器，其形状和抛丸器的布置，应保证弹丸抛射的覆盖以提高抛射效率，抛丸室要严格密封以防飞弹伤人，同时采用耐打击能力的钢板制造。抛丸室大门设有可运转的悬臂，其运转装置一般均采用变频调速机构。

芯轴是抛丸室内最关键的部件，它是线材摆放及运动的载体。为了使盘卷能均匀展开，在芯轴外表面的有效长度内，分布了特定数量的凸台的芯轴或曲轴的外表面都是高低不平，为此当芯轴旋转时就可使盘卷的局部上下起伏。这样就可使线材的各个部位都能受到弹丸的打击。抛丸室的大门不仅密封而且要承担线材的运载。对大门的要求是：运行平稳，驱动灵活，密封性能好。抛丸室大门有一个或两上，一门关闭时另一门必须打开，以便装卸，这样可提高抛丸机的工作效率。

2.2 抛丸系统

抛丸器是离心抛丸机的心脏，对抛丸器的要求是抛丸率高，抛射速度快，丸流分布均匀，叶片装卸要方便。评价抛丸机中抛丸器的指标是抛丸率，即每分钟耗用1度电能所抛射出的弹丸重量(kg)。国产抛丸机的抛丸率一般为10-18kg/(kW?min)，抛丸器中叶片的形状有直线型和曲线型两种。曲面叶片的抛丸器具有效率高、噪音低和能耗少的特点，叶片不用销子、夹具和螺栓固定，更容易进行维修和更换。

抛丸器的主要工艺参数为弹丸的抛射速度和抛丸量。弹丸的速度与抛丸器的转速和叶轮的直径有关。

为了有效地利用弹丸，并使弹丸全面覆盖线材，现代的线材整捆大盘重抛丸机设计前都利用CAD仿真模拟，以最优化的方式来确定抛丸器的数量及布列位置，以保证全面清理盘内外及圆周表面。

2.3 弹丸循环净化系统

弹丸循环净化系统主要由丸料循环系统和丸粒分选净化装置两大部分组成。这两部分又可分为料仓、溜丸管、供丸闸、抛丸器、纵向螺旋、横向螺旋、斗式提升机和分离器等。其中多个部位在电器控制中设置有步步联锁，即后工序不运转，前工序无法打开，这样可避免因弹丸堵塞而发生的设备事故。抛丸量是表示抛丸器性能的一项重要指标，抛丸量大，则清理能力就强。抛丸量主要取决于电机功率和叶轮的转速、抛丸器的结构及供丸能力。在抛丸过程中需要根据不同钢种的不同要求来调整抛丸量。

2.4 丸渣分离器

采用重锤自动调节满幕帘流幕式风迭多级丸渣分离器，能将抛丸清理后的丸料中的有用丸料、金属氧化皮碎片、碎小的丸粒和粉尘一次性有效分离，分离效率≥99.5%。

2.5 弹丸控制器

采用气控弹丸闸阀，它依靠气缸控制行程，可对抛丸量进行远距离遥控，只要调整弹丸控制器上的螺栓，便可获得所需的抛丸量。

2.6 提升机差转装置和螺旋输送器

为防止弹丸堆积和堵塞，采用皮带传动的斗式提升机或辐条结构，设有提升机短路差转报警装置。螺旋输送器及时传送弹丸，其轴体要严格保证同轴度，不得因偏心而产生“打摆”现象，同时应保证耐磨性。螺旋输送器要输送彻底，丸粒无死角，无大量堆积，正常的丸粒堆积不超过30%。

2.7 抛丸除尘系统

除尘系统多采用机械回转反吹式扁袋除尘器，该系统运行平稳，处理风量大，寿命长。其工作原理是：当含尘气体由进风口沿切线方向被风机吸入除尘器后，沿筒壁旋转，在离心力的作用下，较重的尘粒将沉降下来。因扩散作用含尘气流过中部筒体经梯形滤袋的过滤，粉尘被阻挡在外面，这样含尘气体中细小的和中等颗粒的粉尘就得到了净化和回收，其除尘率就能达到99.5%。

2.8 钢丸的技术特性及其选择

钢丸是离心式抛丸机工作过程使用的一种介质，借助抛丸机高速旋转时的离心力把钢丸抛向线材表面，来打击线材表面的氧化铁皮。钢丸不仅是抛丸机的介质而且也是主要的消耗材料。为了保证抛丸效果和节约成本，对钢丸的选择尤为重要。

2.9 钢丸的种类、化学成分及特点

常用的钢丸大约有4种，它们的性能见表1，铸钢丸的化学成分见表2。

表1  钢丸的种类

表2  铸钢丸的化学成分

QB钢丸有如下特点：

（1）QB钢丸是根据国外先进工艺和技术制造的，各项指标均达到美国SAE标准，内部缺陷少，达到国际同类产品水平。

（2）有适当的硬度，清理速度快，且反弹性好，可缩短处理时间，提高处理质量。

（3）内部组织严密，金相组织为回火氏体，粒度分布均匀，不易被破坏，耐冲击力强，寿命长。

2.10 钢丸的选择

硬度过高则脆性增加，抛丸时易碎；硬度过低时因塑性太大，与工件碰撞时易变形，也不易再弹起；硬度适中时，弹丸可反复多次弹起，有利于提高抛射效率。

钢丸的硬度、密度、清理效果与其使用寿命有密切的关系，一般而言，钢丸的硬度与清理速度成正比，但与寿命成反比，所以硬度高，清理速度就快，但寿命短，消耗量大。实践认为钢丸的硬度以HRC40-50为宜。

3  线材抛丸后表面质量的测定标准

3.1 中国标准JB/T 8355-96

JB/T 8355-96为抛喷丸设备通用技术条件。在该标准的3.9.11.1条款中内容如下，工件经抛喷丸加工后的表面清洁度按不同的使用要求应达到：

(a)Sal，轻度抛喷射清理。在不放大的情况下进行观察时，工件表面应无可见的油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。

(b)Sa2，彻底抛喷射清理。在不放大的情况下进行观察时，工件表面应无可见的油脂和污垢，并且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。

(c)Sa2 1/2，非常彻底的抛喷射清理。在不放大的情况下进行观察时，工件表面应无可见的油脂和污垢，并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。任何残留痕迹仅是点状或条纹状的轻微色斑。

(d)Sa3，使零件表观洁净的抛射清理。在不放大的情况下进行观察时，工件表面应无可见的油脂和污垢，并且没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，该表面应具有均匀的金属色泽。

3.2 美国标准SSPC

SSPC是美国钢结构涂装委员会制定的表面预处理规范，该规范将金属表面除锈质量共分为10个等级，其中与线材产品表面质量有关的有如下4种。

（1）SSPC-SP.5出白级。通过抛射后，线材表面应具有灰白色、均匀一致的金属光泽，并形成适合于涂层固着的微小波纹。不用放大镜观察时，表面应无任何油脂、灰尘、可见的氧化皮、锈、腐蚀产物、氧化物、涂层和其它污物，表面的颜色允许受到所使用磨料的影响。

（2）SSPC-SP.6工业级。通过抛射后，该线材表面的任何油脂、灰尘、锈垢和其它污物都已完全除去，并且除了由锈斑、氧化皮、氧化物或极少而又牢固的涂层或保护层残余而引起的轻微阴影条纹或变色允许存在外，所有的锈、氧化皮和旧涂层也都已完全除去，如果表面有蚀坑，允许有少量锈或涂层残渣存在，每25mm*25mm表面上，至少有2/3的面积无任何可见残留物。

（3）SSPC-SP.7清扫级。该等级除锈质量规定为：表面上油脂、灰尘、锈垢和松动的氧化皮、疏松的锈或涂层要完全除去。但是，只要所有的氧化皮和锈都充分地受到喷射并露出大量的、均匀地散布于整个表面的基底金属斑点，那么牢固附着的氧化皮、锈、涂层以及保护层允许留下。

（4）SSPC-SP10接近出白级。该标准规定为：除了用于锈斑、氧化皮、氧化物或微小而牢固的涂层或保护层的残余而引起的非常淡的阴影，非常轻微的条纹或轻微的变色允许存在之外，该表面上的油脂、灰尘、氧化皮、锈、腐蚀产物、涂层或其它污物都已完全除去。每25m*25mm的表面上至少有95%的面积应没有任何可见的残留物， 但其它部分仅限于上面提到的轻微变色的程度。

4  国内抛丸机制造厂技术水平分析

大钢集团公司近年来为组建新的特钢钢丝生产线，与日本、加拿大、意大利和澳大利亚的抛丸机厂进行过多次技术交流，同时也对国内的抛丸机生产厂家进行了较充分的调研。现将了解的情况概述如下：抛丸是由铸造行业对工件进行清砂、除锈发展起来的一项工艺，现已成为进行表面处理的专门技术，有适应不同场合、不同用途的系列化产品，以及标准和非标准多种抛丸机。

我国的抛丸机制造厂从所有制划分来看有国营、合资和私营3种形式，但从生产历史、产品质量而言还是国营企业占主导地位，如青岛华青工业集团铸造机械有限公司和青岛铸造机械集团公司，它们都是我国铸造机械工业的骨干企业，也是中国铸造行业品种最多、技术含量最高、产量最大的铸机生产基地和出口基地。上述企业都通过了ISO 9001质量体系认证，40年来为国内用户生产了近60000套设备，它们的产品如钢材预处理抛丸生产线，板材、型材预处理生产线，大型铸管抛丸机，履带式抛丸机和吊链丸机等。有许多产品远销日本、欧美和东南亚等国家和地区。笔者认为从其技术人员素质、装备水平、执行的标准和企业管理经验来看，均已具备了制造高速线材整捆式大盘重抛丸机的技术条件。

尽管目前国内尚无大盘重抛丸机制造厂家，但一些企业早已掌握了抛丸机有共性的那些部件的制之遥。在我们的交流中，他们对试制大盘重抛丸机充满信心。认为这种设备当前金属制品行业的发展有导向作用，愿意为国内制品行业积极试制，许多厂家与我们有合作意向。笔者认为国产整捆式大盘重抛丸机的问世指日可待。