法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-06-28
公开
发明专利申请公布
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术领域，尤其是涉及一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统及方法。
背景技术
不锈钢材料具有较好的耐腐蚀性能、较高的导电性能、良好的机械强度和成形加工性能，因而在各工业领域中得到了广泛的应用。在被认为是未来终极能源转换装置之一的质子交换膜燃料电池中，双极板需具备优异的耐蚀性能、导电性能和机械强度。同时，为了实现高性能燃料电池设计，促进燃料电池的商业化应用，双极板材料还需具备良好的成形加工性能。由于不锈钢材料具备较好的耐蚀导电、较高的机械强度和良好的加工成形性能，因而被认为是质子交换膜燃料电池双极板制备最主要的材料之一。为近一步提高不锈钢双极板的成形性能，近来有研究者提出了采用高温热成形工艺制备不锈钢双极板的方法。虽然高温热成形工艺可以较好地提高不锈钢双极板的成形性能，实现高性能燃料电池结构设计，但不锈钢双极板再高温成形过程中会形成一层较难去除的氧化层，并显著降低双极板的导电性能，因而需要将不锈钢双极板表面的氧化层去除。此外，在不锈钢板材轧制生产、不锈钢制品在高温成形加工及高温环境中使用等过程中，均会在不锈钢表面产生一层氧化层。绝大多数情况下，不锈钢表面的氧化层需要去除以满足进一步加工制备或使用要求。
不锈钢表面氧化层的化学成分主要由Fe
因此，克服现有方法和装置的不足，实现不锈钢表面氧化层去高效、安全和环保的去除，不仅可以提高质子交换膜燃料电池用热成形双极板的质量和生产效率，而且在提高不锈钢原材料和产品的质量，提升不锈钢制品的产能，改善工人劳动环境，以及保护自然环境等方面均具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统及方法，可应用于燃料电池热成形不锈钢零部件(如热成形不锈钢双极板)表面氧化层的清洗去除，亦可用于不锈钢带材、板材、型材、管材和线材生产过程氧化层的清洗去除，同时也可用于其他不锈钢产品在热加工或高温条件下使用产生的氧化层的清洗去除。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统，该系统包括：
电化学振动清洗装置，用于对不锈钢钢材进行电化学振动清洗；
喷淋清洗装置，用于对电化学振动清洗后的不锈钢钢材进行喷淋清洗；
鼓风干燥装置，用于对喷淋清洗后的不锈钢钢材进行干燥；
支撑传输装置，用于支撑并传输不锈钢钢材，所述的电化学振动清洗装置、喷淋清洗装置和鼓风干燥装置沿支撑传输装置的传输方向依次排布。
优选地，所述的电化学振动清洗装置包括电化学振动清洗池、电化学清洗溶液、超声振动器、电压电流控制组件和电化学清洗液补充回收组件，所述的电化学清洗溶液置于电化学振动清洗池中，所述的超声振动器设于电化学振动清洗池上，所述的电压电流控制组件安装于电化学振动清洗池中用于控制通过不锈钢钢材的电流密度，所述的电化学清洗液补充回收组件连接电化学振动清洗池。
优选地，所述的电化学清洗液补充回收组件包括电化学清洗溶液回收处理及补充池，所述的电化学清洗溶液回收处理及补充池中盛放补充清洗溶液，所述的电化学清洗溶液回收处理及补充池通过补液管道和回收管道连通所述的电化学振动清洗池。
优选地，所述的喷淋清洗装置包括喷淋清洗池和清洗喷头，所述的清洗喷头分布在喷淋清洗池的顶部和底部，用于喷淋不锈钢钢材的正反两面。
优选地，所述的鼓风干燥装置包括鼓风干燥箱和鼓风风扇，所述的鼓风风扇分布在鼓风干燥箱的顶部和底部，用于对不锈钢钢材的正反两面进行鼓风干燥。
优选地，所述的电化学清洗溶液包括质量分数为1％～40％的H
优选地，所述的喷淋清洗装置中喷淋清洗溶液包括质量分数为1％～10％的NaHCO
优选地，该系统还包括不锈钢材料夹持卷收装置，所述的不锈钢材料夹持卷收装置设置两组，分布在支撑传输装置传输线的首末端部。
一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗方法，该方法包括：
S1、配制质量分数为1％～40％的H
S2、将待清洗的不锈钢钢材置于电化学振动清洗池中，加入配制好的电化学振动清洗溶液，开启超声振动器；
S3、对不锈钢钢材施加电压并监测通过不锈钢钢材的电流密度；
S4、电化学振动清洗完毕，采用质量分数为1％～10％的NaHCO
S5、对喷淋清洗完的不锈钢钢材进行鼓风干燥处理；
S6、卷收封装清洗完毕的不锈钢钢材。
优选地，当电化学振动清洗溶液中H
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明中的不锈钢氧化层清洗系统和方法，操作简便易用，可在室温下进行，并能高效去除不锈钢表面的不同厚度的氧化层。
(2)本发明中的不锈钢氧化层清洗系统和方法，对于不锈钢带材、板材、线材、管材和型材在高温生产制备过程中产生的表面氧化层，可以实现批量去除。
(3)本发明中的不锈钢氧化层清洗系统和方法，应用范围广泛，不仅可以对不锈钢带材、板材、线材、管材和型材在高温生产制备过程中产生的表面氧化层的清洗去除，也可以对热成形不锈钢零部件，如热成形不锈钢双极板表面氧化层的去除，同时还可以对不锈钢零部件在高温环境中使用形成的表面氧化层的清洗去除。
(4)本发明中的不锈钢氧化层清洗系统和方法，安全且环保，容器溶液中只含有较低浓度的硫酸溶液，无氢氟酸、盐酸等对人体有害的酸性物质，清洗过程中不产生有毒有害气体，对操作工人身体无害，且有利于环境保护。
附图说明
图1为高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统的结构示意图；
图2为高效环保的不锈钢氧化层低温清洗方法的流程框图；
图3去除不同温度下形成的氧化层后SS316L不锈钢腐蚀性能对比图。
图中，101和601为不锈钢材料夹持卷收装置，201为支撑传输装置，301为电化学振动清洗池，302为电化学清洗溶液，303和304为电压加载模块，305为电流监测系统，306为超声振动器，307为电化学清洗溶液回收处理及补充池，308为补充清洗溶液，401为喷淋清洗池，402为喷淋清洗溶液，403为清洗喷头，501为鼓风干燥箱，502为鼓风风扇。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
如图1，本发明提供一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统，该系统包括：
电化学振动清洗装置，用于对不锈钢钢材进行电化学振动清洗；
喷淋清洗装置，用于对电化学振动清洗后的不锈钢钢材进行喷淋清洗；
鼓风干燥装置，用于对喷淋清洗后的不锈钢钢材进行干燥；
支撑传输装置201，用于支撑并传输不锈钢钢材，电化学振动清洗装置、喷淋清洗装置和鼓风干燥装置沿支撑传输装置201的传输方向依次排布。
电化学振动清洗装置包括电化学振动清洗池301、电化学清洗溶液302、超声振动器306、电压电流控制组件和电化学清洗液补充回收组件，电化学清洗溶液302置于电化学振动清洗池301中，超声振动器306设于电化学振动清洗池301上，电压电流控制组件安装于电化学振动清洗池301中用于控制通过不锈钢钢材的电流密度，电化学清洗液补充回收组件连接电化学振动清洗池301。电压电流控制组件、超声振动器306与电化学振动清洗池301可以一体化设计和加工制造，也可采用分体式设计，电化学清洗溶液302包括质量分数为1％～40％的H
喷淋清洗装置包括喷淋清洗池401和清洗喷头403，清洗喷头403分布在喷淋清洗池401的顶部和底部，用于喷淋不锈钢钢材的正反两面，喷淋清洗装置中喷淋清洗溶液402包括质量分数为1％～10％的NaHCO
鼓风干燥装置包括鼓风干燥箱501和鼓风风扇502，鼓风风扇502分布在鼓风干燥箱501的顶部和底部，用于对不锈钢钢材的正反两面进行鼓风干燥。
于批量去除不锈钢带材、板材、线材、管材和型材表面氧化层时，可采用所述支撑传输装置201进行自动化传输，对于小型或复杂不锈钢工件表面氧化层的去除，可采用人工或机械手进行转运。支撑传输装可采用传送带，传送带贯穿在电化学振动清洗装置、喷淋清洗装置、鼓风干燥装置中形成自动化流水线。
该系统还包括不锈钢材料夹持卷收装置，不锈钢材料夹持卷收装置设置两组，为图中标号101和601，分布在支撑传输装置201传输线的首末端部，对于批量去除不锈钢带材、板材、线材、管材和型材表面氧化层时可采用不锈钢材料夹持卷收装置101和601进行夹持卷收，不锈钢材料夹持卷收装置101和601为现有的机械部件。
如图2所示，本发明还提供一种高效环保的不锈钢氧化层低温清洗方法，该方法基于上述高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统，该方法包括如下主要步骤：
S1、配制质量分数为1％～40％的H
S2、将待清洗的不锈钢钢材置于电化学振动清洗池301中，加入配制好的电化学振动清洗溶液，开启超声振动器306；
S3、对不锈钢钢材施加电压并监测通过不锈钢钢材的电流密度；
S4、电化学振动清洗完毕，采用质量分数为1％～10％的NaHCO
S5、对喷淋清洗完的不锈钢钢材进行鼓风干燥处理；
S6、卷收封装清洗完毕的不锈钢钢材。
在上述过程中，为提高清洗效率，同时降低H
不锈钢钢材施加的电压为0.5～24V，确保所述通过待清洗不锈钢的电流密度为1～300mA·cm
在另一优选的实施方式中为提高清洗效率和降低清洗过程中的能耗，所述电压加载系统在待清洗不锈钢材料上施加的电压应控制在1～12V，确保所述通过待清洗不锈钢的电流密度为10～200mA·cm
当电化学振动清洗溶液中H
步骤S5采用鼓风干燥装置对喷淋清洗后的不锈钢钢材进行鼓风干燥，鼓风干燥装置中的温度和风速可根据待清洗材料的需求自动调节。
以下，给出了采用本发明高效环保的不锈钢氧化层低温清洗系统进行清洗的几个具体实例：
实例1：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将随炉加热至900℃并保温5min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(5)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中。
(6)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示。
实例2：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将随炉加热至900℃并保温5min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(5)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中。
(6)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示。
实例3：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将随炉加热至900℃并保温5min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(5)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中。
(6)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示。
实例4：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将SS316L原始不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压进行第一次电化学振动清洗，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)第一次电化学振动清洗完毕后，将清洗后的溶液更换为新配制的质量分数为4.76％的硫酸溶液进行第二次电化学振动清洗，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(5)第二次电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(6)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(7)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示；
(8)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
实例5：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将750℃加热保温30min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压进行第一次电化学振动清洗，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)第一次电化学振动清洗完毕后，将清洗后的溶液更换为新配制的质量分数为4.76％的硫酸溶液进行第二次电化学振动清洗，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(5)第二次电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(6)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(7)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示；
(8)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
实例6：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将800℃加热保温30min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压进行第一次电化学振动清洗，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)第一次电化学振动清洗完毕后，将清洗后的溶液更换为新配制的质量分数为4.76％的硫酸溶液进行第二次电化学振动清洗，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(5)第二次电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(6)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(7)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示；
(8)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
实例7：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将850℃加热保温30min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压进行第一次电化学振动清洗，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)第一次电化学振动清洗完毕后，将清洗后的溶液更换为新配制的质量分数为4.76％的硫酸溶液进行第二次电化学振动清洗，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(5)第二次电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(6)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(7)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示；
(8)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
实例8：
(1)配制质量分数为4.76％的硫酸溶液作为电化学振动清洗溶液，将体积约为电化学振动清洗池301四分之三的清洗溶液加入清洗池；
(2)将900℃加热保温30min的SS316L不锈钢薄板置于电化学振动清洗池301中，开启超声振动系统；
(3)开启电压加载系统，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V电压进行第一次电化学振动清洗，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(4)第一次电化学振动清洗完毕后，将清洗后的溶液更换为新配制的质量分数为4.76％的硫酸溶液进行第二次电化学振动清洗，在待清洗SS316L不锈钢薄板上施加2.0V，确保流经SS316L不锈钢薄板上的电流密度为90～130mA·cm
(5)第二次电化学振动清洗完毕后，用去离子水对SS316L不锈钢薄板进行冲洗；
(6)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(7)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行表面粗糙度测量，结果如附表1所示；
(8)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
实例9：
(1)将原始SS316L不锈钢试样置于酒精溶液中，超声振动清洗5min；
(2)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢材料进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(3)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢材料表面粗糙度进行测量，结果如附表1所示。
(4)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢耐腐蚀性能进行测试，结果如图3所示。
实例10：
(1)将900℃加热保温30min的SS316L不锈钢薄板置于酒精溶液中，超声振动清洗5min；
(2)采用鼓风干燥系统对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行干燥处理，并保存在封口塑料袋中；
(3)采用三维显微镜对清洗后的SS316L不锈钢薄板表面粗糙度进行测量，结果如附表1所示。
(4)采用三电极电化学工作站对清洗后的SS316L不锈钢薄板进行耐腐蚀性能测试，结果如图3所示。
表1 SS316L不锈钢氧化层在不同清洗条件下的表面质量
表面粗糙度越小不锈钢的表面质量越高，在合适的电化学清洗工艺及参数条件下清洗后，不锈钢表面粗糙度较小，质量高更。表1数据表明，直接采用所述浓度硫酸清洗，不加电化学振动工艺，氧化层清洗不掉，粗糙度基本不变；用本发明中所述浓度硫酸清洗，只加电化学而不加振动，清洗后表面仍有大量可见氧化层。因此，本发明电化学和振动结合的方式，能够大大提高清洗质量。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
