毕业设计（论文）-盐浴清洗实验研究及设备开发.doc

山东大学毕 业 设 计（科研）论文题目：盐浴清洗实验研究及设备开发姓 名 学 号 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2009级 指导教师 2013年5月30日山东大学毕业设计论文Shandong UniversityDesign(Scientific) for GraduationSubject of Thesis:The Experiment Research of Salt Bath and Equipment DevelopmentCandidate: School: Mechanical Engineering College Major: Mechanical Design,Manufacturing and Automation Grade: 2009 Supervisor: May 30, 2013山东大学毕业设计论文目 录摘 要IAbstractIII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状41.2.1 盐浴清洗的发展41.2.2 盐浴清洗的分类51.3工厂清洗状况调研71.4 研究内容8第二章 盐浴清洗实验研究92.1金属表面污垢分类及实验对象选取92.1.1 金属表面污垢分类92.1.2 实验对象选取102.2 熔盐配方实验112.2.1 实验方案112.2.2 实验结果及分析132.3 熔盐温度实验162.3.1 实验方案162.3.2 实验结果及分析182.4 盐浴清洗对零件硬度的影响192.4.1 实验方案192.4.2 实验结果及分析21第三章 设备开发233.1 熔盐槽设计233.2 加热系统设计243.3 温控系统设计253.4 搅拌与喷射系统设计253.4.1 熔盐泵的选取253.4.2 搅拌系统设计273.4.3 喷射系统设计283.5 排气罩系统设计293.6 设备整体设计30第四章 总结与展望314.1 总结314.2 展望31参考文献33致 谢35译文37原文52摘 要作为再制造过程中的一个重要环节，再制造清洗在机械制造行业中具有极大的理论和实际应用价值，其中盐浴清洗具有清洗质量好、清洗速率快、高效、环保等优点，受到更多的重视，因而对盐浴清洗参数的实验研究及清洗设备的开发具有重大的意义。本文主要涉及盐浴清洗的实验研究及设备开发。首先分析熔盐配方、熔盐温度对盐浴清洗速率的影响，主要针对有机涂料这一被清洗污垢，选取不同的熔盐配方进行对比实验，选出最佳熔盐配方，再此基础上确定盐浴清洗的最佳温度；之后研究熔盐清洗对金属零部件性能的影响，包括零件的硬度以及形变；最后通过实验过程中发现的设备的不足，完成对实验设备的改进，优化、改进盐浴清洗的方式。关键词：盐浴清洗； 熔盐配方； 清洗温度； 设备开发AbstractRemanufacturing cleaning is of great theoretical and practical application value in mechanical manufacturing industry as an important link among remanufacturing processes. Salt bath cleaning gains more attention because of its good cleaning quality, cleaning speed, high efficiency, environmental protection and other advantages. In result it is of practical significance to research salt bath cleaning parameters and equipment development. This thesis focuses on experimental and equipment development of salt bath cleaning .Firstly, analysis the formulations of molten salt, the effects of temperature to the rate of the salt bath cleaning. Selecting the organic coatings as the dirt, we do experiments on different molten salt formula, choose the best formula of molten salt .Then, determined the optimal temperature of salt bath cleaning. Secondly, research the effect of salt bath on metal paths, including hardness and deformation. Finally, found the lack of equipment through the experiment. In the process of complete the improvement of experimental equipment, optimization, improvement of salt bath cleaning. Keywords: salt bath cleaning; molten salt formula; cleaning temperature; equipment development 69第一章 绪论1.1 研究背景国家中长期科学和技术发展规划纲要将“在重点行业和重点城市建立循环经济的技术发展模式，为建设资源节约型和环境友好型社会提供科技支持”作为我国科学技术发展的重要目标。2010年5月，国家发改委、科技部等11部委联合下发关于推进再制造产业发展的意见，指导全国加快再制造产业发展，并将再制造产业作为国家新的经济增长点予以培育。2010年10月，中央十七届五中全会审议通过了中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议，明确要求“开发应用再制造等关键技术，推广循环经济典型模式”。开展机械装备再制造基础科学问题研究，符合国家中长期发展战略重大需求。再制造是指以机电产品全生命周期理论为指导，以废旧机电产品实现性能提升为目标，以优质、环保、高效、节材、节能为准则，先进的技术和产业化作为其主要手段，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的质量和性能不能低于新品是再制造的重要特征，甚至有些能够超过新品。装备制造业产业链的延伸再制造，成为循环经济的关键支撑技术，已经成为当今世界最具发展前景的技术领域之一。清洗是再制造的重要环节之一，图1.1所示以发动机再制造为例，通过清洗设备将清洗液作用于工件表面，再通过化学、物理、机械、或者电化学的方法，去除零部件表面附着的锈蚀、污垢、泥垢、油脂、水垢、积碳等。并使工件表面达到所要求清洁度的过程1。作为再制造产品的一项重要指标清洁度，它的不良不仅影响产品的再制造加工，并且会造成产品性能下降，使用过程中容易出现精度的下降，易磨损，寿命短的现象，严重影响了产品的质量。而且，产品良好的清洁度，也能够提高再制造产品在消费者心中的良好形象。国内外关于清洗的研究可以简单的分为化学清洗和物理清洗两类，但是在实际的清洗过程中，往往同时涉及到物理和化学的作用。而清洗技术与清洗方法的选择往往与清洗的位置、目的、材料的复杂程度息息相关，通常需要连续或者同时使用多种清洗技术或者方法。通常采用的清洗方法有浸泡清洗、淋洗、喷射清、图1.1 发动机再制造工艺流程喷丸清洗、抛丸清洗、高压水射流清洗、热分解清洗、超声波清洗、电解清洗、干冰清洗、紫外线臭氧清洗、激光清洗和熔盐清洗及其组合清洗方法等2,3。传统清洗技术具有一定的局限性：浸泡清洗仅适用于小型件大批量清洗，浸泡清洗时间长，废水、废气对环境污染较重；淋洗能量消耗较小，一般用于清洗后的冲洗，不适合清洗附着力较强的污垢；喷丸清理清洗彻底、适应性强、应用广泛、成本低，可以达到规定的表面粗糙度，但噪音大，粉尘污染严重，产生固体废弃物4。抛丸清理比喷丸清理的效果更好，便于控制，具有节约能源、人力、成本低、粉尘影响较小等优点，适合大批量清理，但其噪音太大5。喷丸清理和抛丸清理会使清理表面产生微裂纹，不适于清理精密零部件及对表面质量要求高的零部件。超声波清洗速度较快，清洗工作可在几十秒到几分钟之内完成，并且清洁度高，清洗成本低，对环境污染小，不受清洗件表面形状的限制，易于自动控制。但超声清洗设备价格昂贵，超声波清洗对质地较软、声吸收强的材料清洗效果差，且被清洗工件需处于声波振动中心6。电解清洗除了电解操作外，还需辅助一些化学清洗和物理清洗，以达到最大限度清除污垢的目的7。干冰清洗有减少停工时间、更快速、更彻底、减少设备的损伤、减少或降低溶剂的使用、降低废水处理费用等优点，但干冰清洗设备费用较高，且干冰消耗量较大，清洗成本高8。再制造过程中，清洗是污染的主要来源，因当今环保性要求提高，化学清洗的方法由于污染严重，逐渐被淘汰，而物理的方法得到了更大的发展。国内外应用较多的物理清洗技术有高压水射流清洗、干冰清洗、超声清洗、PIG清洗和激光清洗。目前国际上物理清洗是一项占据绝对优势的清洗技术，因物理清洗操作灵活、污染小、无腐蚀等优点将逐渐取代化学清洗，并逐渐成为工业清洗的主流。人工清洗效率低、清洗不够彻底、化学清洗污染严重，成本高，有较大的局限性，这些技术远远不能满足发动机再制造的需求。 再制造零部件的清洗技术、再制造毛配件的零部件缺陷修复技术及再制造毛配件的无损检测及寿命预估技术是制约再制造行业的三个主要因素。目前，再制造行业在清洗技术方面做出了一些探索和尝试，其中高温焙烧清理、传统人工清洗、化学清洗、超声清洗、振动清洗、抛丸清理、熔盐清洗这些清洗技术已被采用。高温焙烧清理主要适用于有机污物的清理，如积碳、油污、旧漆层，但是清理效率较低，大批量清洗作业要求不能满足；传统人工清洗成本低，但是劳动强度大，清洗效率不高且受到操作空间限制，比较复杂的零部件内部凹槽、孔洞不能彻底的清洗。高压水射流清洗高效无污染，但是由于国内清洗行业配套性差，人员的操作技术水平低，致使整机水平和工作效率低；化学清洗时最普遍的清洗方法，清洗成本低、效率高，但清洗过程中对环境污染严重；超声清洗效率高、速度快，可大大提升清洗表面的洁净度，适用于批量小零部件清洗，尤其适用于型面复杂且有狭小孔洞、空隙的零部件；振动清洗主要适合于零件表面的清洗，并且批量不能太大，但是对于复杂零部件内部的孔洞与狭小空隙不能够彻底的清洗；熔盐清洗在一些难去除的污垢领域取得良好的清洗效果，如零部件表面的结合紧密的氧化皮，发动机零部件表面的积碳水垢以及有机涂料的清洗。表1.1中列出了几种清洗技术的特点和使用范围。表 1.1 清洗技术比较10清洗方法工作原理优点缺点浸泡清洗将工件在清洗液中浸泡、润湿而洗净适合小型件大批量；多次浸泡清洁度高清洗时间长；废水、废气对环境污染较重淋洗利用液流下落时重力作用进行清洗能量消耗较小。一般用于清洗后的冲洗不适合清洗附着力较强的污垢喷射清洗喷嘴喷出中低压的水或清洗液冲洗工件表面适合清洗大型、难以移动、外形不适合浸泡的工件清洗液在表面停留时问短，清洗能力不能完全发生作用高压水射流清洗用高压泵产生高压水经管道到达喷嘴，喷嘴把高压低流速水流转化成低压高流速的射流，冲工件表面清洗效果好、速度快；能清洗形状和结构复杂的工件，能在狭窄空间下进行作业；节能、节水；污染小；反冲力小清洗液在工件表面停留时问短，清洗能力不能完全发生作用喷丸清洗用压缩空气推动一股固体颗粒料流对工件表面进行冲击从而去除污垢清洗彻底、适应性强、应用广泛、成本低；可以达到规定的表面粗糙度粉尘污染严重；产生固体废弃物；噪音大抛丸清理用抛丸器内高速旋转的叶轮将金属丸粒高速地抛向工件表面，利用冲击作用去除表面污垢层比喷丸的效果更好；便于控制；适合大批量清理；节约能源、人力、成本低；粉尘影响较小噪音较大热分解清洗高温加热工件使其表面污垢分解为气体、烟气离开工件表面成本低、效率高；使用天然气、柴油，能耗低；排放气体为水蒸气和二氧化碳为主仅用于除去不含氯、氟等元素的碳氢化合物；不能清洗熔点低或易燃的金属件；仅适合大批量清洗电解清洗电极上逸出的气泡的机械作用剥离工件表面粘附污垢清洗速度快适合批量清洗；电解液使用寿命长能耗大、不适合清洗形状复杂的工件超声波清洗清洗液中存在的微小气泡在超声波作用下瞬间破裂，产生高温、高压的冲击波。这种超声空化效应导致污垢从工件表面剥离清洗效果彻底，剩余残留物很少；不受清洗件表面形状限制；清洗速度快；清洗成本较低；对环境污染小 设备造价昂贵；对质地较软、声吸收强的材料清洗效果差；被清洗工件需处于声波振动中心盐浴清洗高温熔融盐的化学作用与物理溶解作用下，零件表面的污垢从零件表面分离清洗效果彻底，零部件表面基本不会有残留物，对被清洗件表面无损伤，不受零件表面形状限制，清洗速度快，对环境污染小特定的污垢成分，需要特定的熔盐配方由表1.1比较得知，盐浴清洗具有很多其他清洗方式无可比拟的优势。随着再制造业的蓬勃发展，对盐浴清洗研究的深入，盐浴清洗将会成为再制造业中一支新生的力量。研究针对特定污垢的熔盐清洗配方以及最佳熔盐配方下的最佳清洗温度，对于熔盐清洗的发展起着重大的推动作用。1.2 国内外研究现状1.2.1 盐浴清洗的发展熔盐在清洗领域的应用为盐浴清洗。早在19世纪已有不少科学家在熔盐电化学领域中取得了辉煌的成就,如Davy从碱金属氯化物熔体中得到碱金属,Faraday用卤化铅熔体建立了电解定律，Hall和Hroult发明电解制备铝。至20世纪,熔盐电化学在科学技术中发挥了很大的作用,广泛应用于能源、化学制备和材料制作等方面。我国在熔盐电解制取铝、难熔金属、稀土金属和合金,以及熔盐锂电池等方面都取得较大的成就11。预期在21世纪,熔盐电化学与技术将继续蓬勃地发展,并在某些领域，如能源供给和消耗、资源及其再循环、工业清洗、全球环境等将会发挥更大的作用。熔融盐是一类非水溶剂，作为反应介质和电解介质，用于电解冶金、表面处理、合成化合物材料等领域。20世纪期间，熔盐电化学已在国民经济和科学技术中发挥了很大的作用。本世纪，熔盐电化学与技术必将继续蓬勃地发展。近年来,为了减少化学物质对环境的污染，尽量降低挥发性有机物反应介质的消耗，熔融盐作为一种高温下没有蒸发损失的金属清洗液有望取代部分传统的水基以及溶剂清洗液12。国外熔盐清洗在工业以及其他领域的应用已非常广泛，相应的清洗技术及工艺设备也相当完善。并且在有机涂料、铸铁、发动机零部件等的熔盐清洗方面取得了巨大的成就。国内对于熔盐的应用则主要的集中在熔盐的电解冶金、热处理、渗碳渗氮等方面，而熔盐清洗在工业上的应用研究多有不足。1.2.2 盐浴清洗的分类熔盐清洗按化学性质可分为以下两类。（1）酸性熔盐清洗：对于氧化皮来说酸性清洗效果差，另外，由于氧化皮深度的不同导致熔盐对基体选择性的腐蚀，所以碱性熔盐清洗往往效果更佳。碱性熔盐的高渗透性和润湿性使得其十分容易渗透入垢层，并且对金属基体不会造成腐蚀。（2）碱性熔盐清洗：碱性熔盐清洗可分为还原型熔盐清洗和氧化型熔盐清洗两类。1氧化性熔盐清洗：利用金属氧化皮与金属基体膨胀系数的不同，随着熔盐温度的上升，氧化皮表面产生裂纹，熔盐随着裂纹产生扩散至裂纹的内部，而裂纹内部的低阶氧化物被氧化成高阶氧化物，并且氧化的过程中使得内部氧化皮的体积增大，进而使得外部氧化皮脱落。其次，氧化皮与熔盐的化学反应将生成便于酸洗清洗的盐类。例如氧化铬和氧化钛和氢氧化钠、氧化铝反应能分别生成铬酸钠、钛酸钠和铝酸钠。最后利用冷水的温度剧变与过程中产生的蒸汽是一些不溶性的膜变得稀松而易脱落。2还原型熔盐清洗：还原性熔盐清洗为含活性还原剂的氢化钠的氢氧化钠。烧碱中的氢化钠将金属表面的氧化皮换成基体金属或基体金属的低阶氧化物。应用这种方法清除铁素体和马氏体铬合金表面的金属氧化皮非常有效。同样这种方法也适合与其它耐高温合金和耐蚀合金，清洗的时间根据氧化皮和材料特性的不同由数秒至15分钟不等。与氧化型熔盐清洗一样，这种方法不也不会腐蚀基体金属13。清洗以后，也需要进行酸洗后处理。这种方法由于还原性强不适合清洗表面有石墨、硅质玻璃料等一些有机物垢层。其中，积碳、油污、旧漆层和有机涂料的主要成分为有机物，热喷涂材料成型润滑剂的主要成分为无机物，清洗过程中，熔盐通过热氧化和高位作用，能够彻底迅速和可控制的去除零部件表面的有机物和无机物涂料，甚至高度交联的聚合物，均会在短时间内被去除，清洗产物为水、二氧化碳和碱金属化合物。不同特性的氧化皮可以选择采用不同类型的熔盐清洗，如氧化行或者还原型熔盐予以清洗，并辅助后续的水淬、酸洗等操作，以彻底清除零部件表面的氧化皮等。采用熔盐清洗与传统清洗技术复合的方法可以清除零部件表面的水垢。影响熔盐清洗效果的因素主要有以下几种：（1）熔盐清洗配方：针对不同的被清洗件其对应的熔盐清洗成分与比例皆不同。即使相同的被清洗件使用不同的清洗方法，其熔盐的成分与比例也不同。根据清洗对象的不同，选择氧化型或者还原型熔盐清洗，并且研究其对应的清洗工艺以及熔盐配方与容呀组分。（2）熔盐清洗温度和清洗时间14：氧化型熔盐清洗可分为低温氧化型清洗、中温氧化型清洗、高温氧化型清洗三种。低温氧化型清洗其清洗的操作温度为200-220。该方法可以清洗钛及其合金；该方法清洗一些难熔金属，清洗效率极高，而且这些金属不需要随后的酸洗操作。中温氧化型清洗的操作温度为370-450。清洗液是在融融的氢氧化钠中加入特殊的添加剂。高温氧化型清洗的操作温度为450-540。适合清洗由于热轧或由于热处理所产生的氧化皮。针对不同的集体材料、污物成分，研究适合工艺特点的熔盐清洗温度和清洗时间。（3）熔盐清洗机理及工艺安排：氧化型熔盐清洗不仅能清除氧化皮，而且还能清除表面的硅质玻璃料、石墨、油脂等垢层。还原型熔盐清洗清洗液为含氢化钠的烧碱，氢化钠是一种活性还原剂，它在碱中可将氧化皮还原成金属或金属的低价氧化物。1.3工厂清洗状况调研 为了进一步了解目前机械行业中有关清洗方面的工作 状况，对中国重汽集团济南复强动力有限公司进行了调研。复强动力公司是一家从事汽车零部件制造与发动机再制造的企业，对于再制造行业，清洗时企业必须考虑的一项工作，因为当废旧产品回收以后，首先要进行拆解以及清洗工作，这道工序的进行情况将直接影响以后的若干工序的进行。复强动力公司在废旧零部件的清洗中主要是采用的是一种高温清洗系统，其主要的设备为高温分解炉如图1.2所示，主要利用315430的高温，热清除残留在汽车零部件上的机油和油脂，这对发动机缸盖、缸体、所有铸铁件及大部分铝件都适用。该方法与传统清洗方式相比，不需预先清洗零件，并可以使积碳疏松，直接抛丸，减少劳动力时间。但此方法同时也有很大的缺点：油脂在高温下分解出部分有害物质，不光对工人健康造成危害，也污染了环境；长时间的高温加热消耗了巨大的能量，提升了清洗成本；还有很重要的一点，那就是不光加热需要数小时的时间，在冷却过程由于急冷会导致零件产生残余应力或开裂，会占用更多的时间，这样一来，此种方法的工作效率便变得很低。经过调研克制，企业在生产时更多采用的是传统的清洗方法，如喷射、高压、浸泡。因为传统的清洗方法技术比较成熟，操作时所需要的专业知识较少，而且清洗的质量能基本满足生产的需要。但是，能源消耗、对环境的影响等问题很严峻，像采用有机清洗剂或高温清洗等都会严重污染环境，不利于企业及社会的可持续发展。究其原因，还是企业在盐浴清洗方面的研究有限，没有相关设备的研发。因而盐浴清洗方式有待于进一步的开发，让更多的企业来研究，使其应用于图 1.2 高温分解炉各行各业。在论文的开始阶段意识到这是一个有价值的研究课题，因此本文对盐浴清洗有机涂料这一方向进行实验研究及设备开发。1.4 研究内容通过实验研究确定针对特定污垢，所对应的最佳清洗熔盐配方，并在此基础上通过实验研究确定最佳熔盐清洗温度。并且通过实验过程中发现的实验设备不足，对实验设备进行改进。本文分四章对以上内容进行了详细的阐述：第一章 绪论：简明介绍了课题的研究背景，总结了国内外再制造清洗领域的研究进展以及盐浴清洗的相关情况，提出本课题的研究内同及意义。第二章 盐浴清洗实验研究：阐述了针对特定有机涂料组分，通过实验研究确定其最佳的盐浴清洗配方，并在此基础上完成最佳温度确定的实验研究。第三章 设备开发：通过实验过程中发现的设备的不足，完成对实验设备的改进。第四章 结论与展望：对本论文的主要内容进行总结，对下一步的工作提出展望。第二章 盐浴清洗实验研究2.1金属表面污垢分类及实验对象选取2.1.1 金属表面污垢分类 在清洗过程中从清洗对象的表面去除的杂质统称为污垢，在不同的情况下污垢的种类存在很大差别，情况很复杂。而通常情况下污垢可以根据以下不同的方法进行分类15。（1）根据污垢的存在形式分类1颗粒状污垢。如固体的颗粒，微生物颗粒等。2覆盖膜状污垢。如油脂和高分子化合物在物体表面形成的表面膜状物质。3无定形污垢。如块状和各种不规则形状的污垢。4溶解状态污垢。如以分子形式分散存在于水中的污垢。（2）根据化学组成进行分类1无机物污垢。金属及其氧化物，盐类等；非金属及其化合物（如沙、砂土）。2有机物污垢。碳水化合物、蛋白质、油脂及其他有机物。（3）根据亲水性和亲油性进行分类1亲水性污垢。如可溶于水的无机物。2亲油性污垢。如各种树脂、油脂、矿物油等。（4）根据在物体表面的存在形态进行分类1污垢的粒子在对象表面单纯靠重力作用沉降而堆积。2污垢的分子与清洗对象表面的分子靠分子间作用力结合。3污垢粒子靠静电吸引力吸附于表面。4污垢在对象物表面形成变质层。5污垢渗入对象物表面内部。6坚硬的污垢微粒刺破对象表面而楔如内部。（5）混合污垢实际情况中往往是很多种类型的污垢以复杂的方式结合在一起，称之为混合污垢。去除这类污垢比去除单一类型的污垢更加困难。2.1.2 实验对象选取金属、混凝土、木材等受到周围环境介质的化学作用或电化学作用而损坏的现象称为腐蚀。金属材料是人类赖以生存的物质，而无时不在的金属腐蚀给我们带来巨大的损失。全球每年因腐蚀造成的金属损失量高达全年金属生产总量的20%-40%，据调查统计，世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的1.5%-4%。在我国，由于金属腐蚀造成的经济损失每年高达300亿人民币以上，占国民生产总值的4%15。腐蚀造成如此巨大的损失，因此防腐蚀工作在机械行业中无处不在。而在各种防腐蚀方法中有机涂层防腐蚀是最经济、最有效、应用最普遍的金属防腐方法。所以各种金属制品表面几乎都涂有耐腐蚀有机涂料，而再制造生产中，这种覆盖在金属制品表面的有机涂料，也成为清洗过程中的一大难题。有机涂料具有以下三个方面的基本特征：（1）有机涂料必须有良好的附着力和一定的机械强度。（2）有机涂层必须具有良好的耐蚀性能。（3）有机涂层必须具有较小的透气性和渗水性。也正是由于有机涂料的上述三个基本特征，使得有机涂料的清洗过程变得异常艰难。传统的方法使用高温分解，使得有机涂料在高温下被氧化，进一步用机械的方法从金属制品表面去除燃烧后的产物。但是传统的方法不仅清洗效率低、能源消耗大，而且清洗的不彻底。并且高温下对金属基体的性能产生一定程度的影响。而通过有机涂料性能的研究可以有机涂料在250-300就会融成膜，并且耐热均低于250。如聚四氟乙烯（PTFE）树脂是最早发现也是最早商品化生产的树脂品种，让具有极高的耐化学品性，除了能与熔融的碱金属、氟和强氧化性介质以及熔融状态的氢氧化钠反应外，它几乎对所有常用的化学品和溶剂都呈现惰性。所以在实验室现有试验材料的情况下，选择含有聚四氟乙烯树脂的有机涂料作为实验对象，进行相关清洗实验。表2.1所示为一些树脂的特征。表 2.1 几种氟树脂的特征16名称耐热性耐化学品性非粘结性抗溶接性抗电性PTFE250优异优异优异优异FEP200优异优异优异优异PFA250优异优异优异优异ETFE150良好良好优异优异ECTFE150良好良好优异优异PVDF150良好一般一般一般PVF100一般良好良好一般PCTFE150优异优异优异优异由于聚四氟乙烯树脂与强氧化介质以及熔融状态的氢氧化钠反应，故在实验室条件下选择硝酸盐、亚硝酸盐以及烧碱作为清洗介质。以下为三种化合物的一些物理性质。表 2.2 硝酸盐、亚硝酸盐的物理性质17盐密度熔点t/沸点t/100g，100热水中的溶解度/gBa(NO3)23.240592分解34.200KNO21.915441在350分解413KNO32.109333在380分解245NaNO32.257308在320分解176NaNO22.168271在320分解163LiNO32.380264在600分解206表 2.3 氢氧化物的物理性质17氢氧化物密度熔点t/沸点t/100g，100热水中的溶解度KOH2.0443601320178NaOH2.13031813903412.2 熔盐配方实验2.2.1 实验方案本文中选用亚硝酸钠、硝酸钾、氢氧化钠三种熔融状态的化合物作为工作介质。分为NaNO2、KNO3，NaNO2、NaOH，KNO3，NaOH三组。三组不同的熔盐配方，分别做盐浴清洗实验。对三组清洗后的被清洗件，进行清洗效果的对比，选出清洗效果最好的熔盐配方，作为清洗此类污垢的最佳清洗配方。实验设备：济南科尔KR-600盐浴清洗机、自制夹具、容器、电子秤、秒表。实验注意事项：1、 熔盐加热过程中温度要逐步升高，使得熔盐全部融化，防止温度过高出现熔盐分解。2、 被清洗件放进熔盐之前，必须进行预热干燥，去除被清洗件所带水分，以防止进入高温熔盐是引起熔盐的飞溅。同时也使被清洗件加热。防止进入高温熔盐时，在被清洗件表面形成冷却的熔盐膜，影响盐浴清洗速率。3、 将零件从盐浴槽取出后，停置1-2分钟，然后放进热水槽中，将残留的有机涂料和熔盐洗去。经热水初洗后的零件，还可能残留少量的熔盐，用50%的盐酸溶液将残存的熔盐中和，使之彻底清除。最后用冷水冲洗使之表面的盐酸、熔盐以及其它污物彻底清除。4、 操作过程中被清洗清洗过程中可能会放出有毒气体，安全措施要做好，戴好防毒面具，以防止中毒。取放被清洗件时双手要带厚手套，防止烫伤。5、 取放KNO3时要轻拿轻放，切勿撞击（硝酸钾在撞击时会产生爆炸）。实验步骤：实验a： 用电子秤称取NaNO2、KNO3各自5kg放于事先准备好的容器内。 将块状的NaNO2碾碎，使之尽量成粉末状。 将粉末状的NaNO2与粉末状的KNO3混合均匀。 将混合均匀的两者加入到熔盐槽内。 启动盐浴清洗机，将初始温度跳到150，并且使用工具进行搅拌，使未融化的盐靠近加热棒。随着盐的融化逐渐将温度升高，最终温度到达230，熔盐全部融化。 将表面刷好漆皮的试件分成三组每组两件。 用夹具夹好被清洗件进行烘干。 将烘干的第一组被清洗件放入熔盐槽内，并开始计时。初始拟定时间为两分钟，但经观察清洗效果不明显，后将清洗时间调整为5分钟。5分钟后取出被清洗件冷水冲洗，并且用马克笔标上a5。 取被清洗件重复、，并且将步骤中的清洗时间改为10分钟，清洗后标为a10。 取被清洗件重复、，并且将步骤中的清洗时间改为15分钟，清洗后标为a15。实验b： 用电子秤称取NaNO25kg、NaOH1kg放于事先准备好的容器内。 将块状的NaNO2碾碎，使之尽量成粉末状。 将粉末状的NaNO2与薄片状的NaOH混合均匀。 将混合均匀的两者加入到熔盐槽内。 启动盐浴清洗机，将初始温度调到150，并且使用工具进行搅拌，使未融化的盐靠近加热棒。随着盐的融化逐渐将温度升高，最终温度到达230，熔盐全部融化。 用夹具夹好被清洗件进行烘干。 将被清洗件放入熔盐槽内，开始计时。初始拟定时间为5分钟，经观察五分钟内清洗效果明显。5分钟后取出被清洗件标为b5。实验c： 用电子秤称取NaNO25kg、NaOH1kg放于事先准备好的容器内。 将粉末状的KNO3与薄片状的NaOH混合均匀。 将混合均匀的两者加入到熔盐槽内。 启动盐浴清洗机，将初始温度跳到150，并且使用工具进行搅拌， 使未融化的盐靠近加热棒。随着盐的融化逐渐将温度升高，最终温度到达230，熔盐全部融化。 用夹具夹好被清洗件进行烘干。 将被清洗件放入熔盐槽内，开始计时。初始拟定时间为五分钟，经观察五分钟内效果明显。5分钟后取出被清洗件标为c5。2.2.2 实验结果及分析如图2.1、2.2、2.3所示，为NaNO2、KNO3熔盐配方下分别清洗5、10、15分钟后的清洗效果图。图2.1 五分钟清洗效果 图2.2 十分钟清洗效果 图2.3 十五分钟清洗效果如图2.4、2.5所示，为NaNO2、NaOH熔盐配方清洗5分钟后的被清洗件b5清洗效果图。图2.4 五分钟清洗效果 图2.5 五分钟清洗效果如图2.4、2.5所示，为KNO3、NaOH熔盐配方下清洗5分钟后的被清洗件c5效果图。通过图2.1、2.2、2.3中三个五分钟下被清洗件的对比可知，NaNO2、KNO3熔盐配方下，完全清洗金属表面的有机涂料需要15分钟。而NaNO2、NaOH，KNO3、NaOH两种熔盐配方下完全清洗金属表面的有机涂料仅需要5分钟。并且实验a过程中，从熔盐槽中取出的被清洗件，必须经过冷水冲洗，否则有机涂料仍会留在被清洗件表面，只是有机涂料的已经变质。但是，实验b与实验c中，当被清洗件从熔盐槽中取出时，其表面的有机涂料已经被完全的去除，清水冲洗只不过是去除表面残余的熔盐。由图2.6、2.7清洗前后被清洗件对比可以看出，被清洗件在清洗过程中，由于NaOH的腐蚀作用，使得其表面被轻微的腐蚀。但是，我们所研究的清洗主要是应用于再制造行业。而再制造行业中所需清洗的已使用零部件表面，在长期的工作中已被腐蚀，所以清洗过程中造成轻微腐蚀不会影响零部件基本功能。并且清洗过程中NaOH也会对金属表面锈层的去除起作用。图2.6 清洗前图2.7 清洗后通过图2.4、2.5可知，实验b与实验c两者使用的熔盐配方在清洗效果上基本相同。但是考虑到成本，工业亚硝酸钠每吨2300元，工业硝酸钾每吨5700。所以在两者清洗效果基本相同的情况下，选择实验c所用熔盐配方NaNO2、NaOH作为清洗有机涂料的最佳熔盐配方。结论：最佳熔盐配方为：NaNO2、NaOH（质量比5:1）2.3 熔盐温度实验2.3.1 实验方案根据上一节实验所得结论，NaNO2 、NaOH（质量比5:1）为最佳的清洗配方。在此基础上做温度参数对熔盐温度影响的实验。按最佳熔盐配方，在特定的温度间隔下，测量彻底去除被清洗件表面有机涂料所需要时间。最后以时间为纵坐标，温度为横坐标，绘制时间-温度图像。以此为主，再结合成本、能源消耗等方面确定最佳清洗温度。实验设备：济南科尔KR-600盐浴清洗机如图2.8所示、被清洗件（300mm*35mm*2mm）、自制夹具、容器、电子秤、秒表。图2.8 KR-600盐浴清洗机实验注意事项：1、 熔盐加热过程中温度要逐步升高，使得熔盐全部融化，防止温度过高出现熔盐分解。2、被清洗件放进熔盐之前，必须进行预热干燥，去除被清洗件所带水分，以防止进入高温熔盐是引起熔盐的飞溅。同时也使被清洗件加热。防止进入高温熔盐时，在被清洗件表面形成冷却的熔盐膜，影响盐浴清洗速率。3、将零件从盐浴槽取出后，停置1-2分钟，然后放进热水槽中，将残留的有机涂料和熔盐洗去。经热水初洗后的零件，还可能残留少量的熔盐，用50%的盐酸溶液将残存的熔盐中和，使之彻底清除。最后用冷水冲洗使之表面的盐酸、熔盐以及其它污物彻底清除。4、 操作过程中被清洗清洗过程中可能会放出有毒气体，必须佩戴防毒面具，做好安全防护措施，以防止中毒现象的发生；同时取放被清洗件时双手要带厚手套，防止烫伤。实验步骤： 取NaNO2、NaOH分别5kg、1kg，且将NaNO2与NaOH一起放入容器中，混合搅拌均匀。 将混合均匀的盐倒入熔盐槽中，启动清洗机，开始加热。温度逐步升高，至盐全部融化，并将最终温度清洗机温度调为230。 将被清洗件分为五组每组五件。 将第一组中的一件试件烘干，并浸入熔盐槽中，开始清洗，观察清洗状况，并记录彻底清洗完毕所用时间及其对应的温度。 温度调至240，2分钟后，将第二组中的一件试件浸入熔盐槽内，开始清洗，观察清洗状况，并记录彻底清洗完毕所用时间及其对应的温度。 温度依次调至250、260、270，并将对应的第三、四、五组中每一件试件浸入熔盐槽中记录彻底去除表面漆皮所对应时间及温度。 温度重新调至230，按上诉步骤将剩余的试件依次清洗完毕，并记录清洗所用时间及对应的温度。 相同温度下，取五次清洗时间的平均数作为此温度下的清洗时间。然后以时间为纵坐标，以温度为横坐标，做时间温度曲线。2.3.2 实验结果及分析清洗实验结果记录表2.4，由表内实验数据，经处理后作出所示时间温度散点图（图2.9）。从散点图可知：彻底清除有机涂料所需最短时间取决于熔盐温度，当熔盐温度从230增加到250时，彻底清除有机涂料所需时间从5分钟下降至1分钟，但当熔盐温度从260增高时，清洗时间所用时间下降较少，而当熔盐从260降低时清洗时间较快增加。因此在不考虑其他因素数的影响下，取260作为熔盐清洗的工作温度较为合适。表 2.4 清洗时间与温度230240250260270第二组430346241105050第二组420350225108048第三组435339216050040第四组427348219115055第五组425325223101056平均427354225104050/min/图 2.9 时间温度散点图2.4 盐浴清洗对零件硬度的影响2.4.1 实验方案本论文为了研究熔盐清洗对零部件硬度的影响，咨询老师硬度测量过程中的相关事宜。将被清洗件表面打磨平整，测量其硬度，将测量后的试件浸泡在熔融盐中加热一定时间，取出后测量其硬度值。比较测量前后的硬度值，得出盐浴清洗对零件硬度影响的结果。实验设备：熔盐加热设备如图2.10所示、自制试件、自制夹具、秒表。图 2.10 熔盐加热设备 3、 操作过程中被清洗清洗过程中可能会放出有毒气体，必须佩戴防毒面具，做好安全防护措施，以防止中毒现象的发生；同时取放被清洗件时双手要带厚手套，防止烫伤。实验步骤： 将切好的7件试件表面打磨平整，测量其洛氏硬度，并记录。 将NaNO2、NaOH按最佳熔盐配方比例混合均匀后置于如图2.11所示的熔盐槽内。 启动仪器进行加热，温度逐步升高至熔盐槽内盐全部融化，并将仪器温度调至最高温度250。 将已测试洛氏硬度的试件浸入熔盐槽内10分钟，如图2.11所示。 取出试件用10冷水冲洗，去除表面熔盐。 测量经过盐浴清洗处理的试件洛氏硬度，并记录。 剩余的试件依次按上诉步骤进行实验。图 2.11 熔盐槽2.4.2 实验结果及分析根据实验老师的相关讲解，由于使用的钢片为未经淬火或者调质的45钢，对其进行洛氏硬度测量比较困难，故测量钢片实验前后布氏硬度值。实验前后测试结果记录如表2.5所示。表格 2.5 实验前后硬度值硬度值（HB）1234567实验前186190194192186192188实验后186188194192185189185结论：由表2.5可知熔盐清洗对零部件硬度影响很小，零部件硬度略有下降或者基本不变，并且是在将加热时间延长至10分钟的情况。正常的清洗时间1分钟左右对零部件的硬度影响会更小，况且表面涂有有机涂料的零部件对硬度的要求一般不会太高，因此清洗对零部件硬度的影响不必担心，不会影响零部件的基本功能。第三章 设备开发3.1 熔盐槽设计图 3.1 清洗槽图 3.2 清洗槽底部盐浴清洗设备中，熔盐槽的设计要考虑以下几个方面的因素：1）熔盐槽壁要能承受高温，在高温状态下变形小，不会影响熔盐槽的正常使用；2）熔盐槽壁的抗氧化性、抗腐蚀性要强，因为有些盐在融化状态下具有强氧化性，有些在高温状态下具有较强的腐蚀性，例如硝酸钾以及亚硝酸钠在融化状态下均具有强氧化性，而氢氧化钠在高温下具有强烈的腐蚀性；3）熔盐槽设计要考虑到熔融盐以及堆积污物的排放问题，要保证内部的污物能够全部排出，保持熔盐槽的清洁18。针对以上问题，本文中设计所设计的熔盐槽（如图3.1、3.2）的材料采用SUS304不锈钢。SUS304不锈钢钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650。304不锈钢具有优良的不锈钢腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。对氧化性酸，在实验中得出：浓度小于65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。对碱性溶液剂大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。SUS304不锈钢的使用基本上使熔盐槽能够满足高温以及抗氧化性、抗腐蚀性的要求。为了使得熔融盐能够排出干净，熔盐槽的底部设计有一定的倾斜度，并且排液阀位于熔盐槽的最底部能够保证内部液体全部排出。熔盐槽的基本尺寸400mm*400mm*400mm（L*W*H）。其尺寸能够完成一般小型零部件的清洗功能。3.2 加热系统设计图 3.3 加热棒通过实验过程中发现实验室设备加热系统的不足对其进行了改进如图3.3所示。做实验时实验室设备加热过程中，由于加热棒只是位于熔盐槽的两侧，使得熔盐槽底部的熔盐不能得到有效地加热，这就使得加热过程中两侧融化的熔融盐又在此固结在熔盐槽的底部，且很难融化。在融化的过程中需要用工具将盐堆积到加热棒附近，使其融化。加热速率慢，每次实验时，仅仅加热过程就要持续半个小时，才能使熔盐槽内部的盐全部融化。针对以上问题，对加热棒进行了改进，如图3.3所示，不仅熔盐槽的两侧有加热棒，而且延伸至熔盐槽底部。这样在加热过程中，熔盐槽底部的熔盐能够快速的融化，不会固结在熔盐槽底部，减少了清洗用盐全部融化所需的时间，提高了熔盐清洗的速率。并且此加热棒大部分位于熔融盐液面下，维持熔融盐的恒温能够减少能源的消耗，也符合了国家对于可持续发展的要求。市场上现有同类型设备的加热棒一般管径采用直径10mm的普通不锈钢制作，发热面积小，加热效果达不到且很容易出现故障，我们使用盐城春迪机械制造有限公司生产的加热棒，其直径12mm的304不锈钢管制作，加热实效提高了1.2倍，且故障率大大降低。并且管外壳材料使用304不锈钢，其耐腐蚀性以及抗氧化性也使得其在盐浴加热中的寿命相对于普通加热棒大大提高。3.3 温控系统设计熔盐槽内部装有温度传感器，能够实时反馈熔盐槽内不熔融盐的温度，实现对温度的实时调节。配有保护电路，满足过压、过流、断相保护，其中过压保护满足380420V自动保护；控制线路有良好的接地保护，在出现相应的故障时能第一时间停止设备运行，保护使用者的安全；时间制定时器以及可调温控仪采用东琦电子科技有限公司产品，清洗节拍：09999min可调温控仪，清洗温度0300。3.4 搅拌与喷射系统设计普通的盐浴清洗设备，仅仅是将被清洗件浸泡入熔融盐内部，进行清洗。而在此过程中熔融盐是处于静止状态，此时的清洗过程是靠熔融盐的化学作用与物理溶解作用完成清洗过程。而由以上实验可知搅拌能够加快熔盐清洗的速率，故而给熔盐清洗设备加上