盧文豐

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201999)

0 前言

當(dāng)前的鍍鋅、連退機(jī)組均在爐段前配置有清洗段，起到去除帶鋼表面鐵粉、油脂的目的。對(duì)防止污染爐輥和鋅鍋、減少輥?zhàn)咏Y(jié)瘤、減少鍍鋅缺陷都有重要意義。電解清洗能更快速、更徹底的清除化學(xué)、物理脫脂無法清除的孔隙深處的頑固附著油污，是核心的清洗設(shè)備。本文結(jié)合多條機(jī)組設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)踐，分析了電解設(shè)備在工藝參數(shù)選型、電解效率、清洗效果、爆鳴和帶鋼燒蝕、事故隱患等方面存在的問題，并提出改進(jìn)措施。通過對(duì)工藝參數(shù)的合理選型，對(duì)電解槽設(shè)備電極板、絕緣板、抽風(fēng)防爆、消泡、接地、電極板溫度監(jiān)控等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了新型的電解清洗設(shè)備并應(yīng)用在寶鋼某鋼鐵基地最新投產(chǎn)的鍍鋅-連退兩用柔性機(jī)組，取得良好的使用效果。

1 電解原理和機(jī)組概況

寶鋼某鋼鐵基地的首條柔性生產(chǎn)鍍鋅-連退產(chǎn)品兩用機(jī)組，于2019年成功投產(chǎn)至今穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，為保證清洗效果，將清洗段設(shè)備配置于入口活套后，電解清洗則位于堿噴淋、堿刷洗之后，帶鋼速度120 m/min。電解的機(jī)理是將帶鋼作為陰極或陽極時(shí)析出氫氣泡或氧氣泡，這些產(chǎn)生于帶鋼表面的大量微小氣泡對(duì)污染物產(chǎn)生撕裂作用，同時(shí)在清洗液的作用下，將附著于帶鋼表面的頑固污染物破壞清洗。本機(jī)組采用立式槽、中間導(dǎo)體法，即帶鋼不直接和電源相連接，電源是接在帶鋼入口部分和出口部分兩組電極板上。當(dāng)入口部分的極板接陽極時(shí)，出口部分的極板接陰極，此時(shí)，電流從陽極經(jīng)過脫脂液到達(dá)帶鋼，通過帶鋼到達(dá)與出口部分極板相對(duì)應(yīng)的位置，并從帶鋼又經(jīng)過電解液到達(dá)陰極。這樣，帶鋼通過同一個(gè)脫脂槽時(shí)，就經(jīng)歷了先陰極后陽極的兩個(gè)脫脂過程，在實(shí)際使用中，每使用幾個(gè)鋼卷以及焊縫進(jìn)入時(shí)自動(dòng)切換電極板極性，以保證清洗質(zhì)量。電解原理和設(shè)備主要組成如圖1、圖2所示。

圖1 電解電流環(huán)路原理

圖2 電解清洗設(shè)備組成

2 電解工藝參數(shù)

2.1 電解液

電解液采用由氫氧化鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、碳酸鈉和表面活性劑組成的混合物，并通過專門管道添加消泡劑。氫氧化鈉為強(qiáng)電解質(zhì)，有良好的導(dǎo)電能力，同時(shí)對(duì)帶鋼和電極板表面有鈍化作用，提高濃度可以加快除污速度，但從成本考慮不宜太高；如果濃度過低，碳鋼電極板活化，可能導(dǎo)致極板腐蝕損耗加劇。因此，在循環(huán)槽中設(shè)置電導(dǎo)率計(jì)對(duì)電解液濃度監(jiān)控，并設(shè)有原液、脫鹽水添加管路進(jìn)行調(diào)配補(bǔ)充。在循環(huán)管路中串入磁性過濾器對(duì)電解液除鐵粉，同時(shí)對(duì)溶液的鐵離子濃度和油分濃度按每天2次的頻率進(jìn)行取樣離線分析，保證電解液正常的濃度和清洗活性，防止出現(xiàn)失效。一般來說，電解液溫度高能提高溶液的導(dǎo)電能力，提高清洗效率，但過高也會(huì)加劇堿液的蒸發(fā)，增加泡沫的產(chǎn)生，因此將電解液溫度維持在70～80℃之間。電解液的主要成份為NaOH,NaOH濃度(2.0±0.5)%，鐵分濃度≤1×10-3,油分濃度≤2×10-3。

2.2 電流密度

電流密度的選擇直接影響清洗效果，這是因?yàn)闅馀莸漠a(chǎn)生量與庫(kù)侖密度成正比, 庫(kù)侖密度與電流密度和時(shí)間成正比, 因此, 時(shí)間一定時(shí), 清洗效果隨電流密度的增加而改善。根據(jù)電流強(qiáng)度的大小,分為低電流密度和高電流密度，本機(jī)組采用立式電解槽體且速度較低，綜合成本考慮，采用低電流密度，電解清洗的電流密度為6～13.5 C/dm2。操作人員根據(jù)帶寬和帶速，在HMI畫面設(shè)定整流器電流，整流器電流輸出同時(shí)也和機(jī)組速度做連鎖控制，當(dāng)帶鋼速度小于15 m/min時(shí)，輸出停止。整流器電流設(shè)定和總?cè)萘窟x型一般按此經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算。

(1)

式中，Q為電解電流密度；VE為入口段速度；W為帶鋼寬度；A為電解電流放大系數(shù)，取1.0～1.15。

本機(jī)組依據(jù)工藝參數(shù)和公式，選定直流36V-6500A整流器兩套，經(jīng)投產(chǎn)后的現(xiàn)場(chǎng)使用情況反饋，冗余量和負(fù)載率合適，滿足生產(chǎn)需要。

2.3 電極板間距

電極板間距會(huì)影響電流值，減小極板間距可降低溶液電阻，減小電壓降，從而增大電流密度。但受帶鋼板型和張力影響，極板間距不能過小，否則會(huì)刮傷帶鋼，影響表面質(zhì)量，甚至接觸極板而發(fā)生帶鋼燒蝕，嚴(yán)重則斷帶，綜合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，按間距100 mm較為合理，既能保證正常情況下的帶鋼通行能力，又能保證良好的清洗效率。

3 電解設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)實(shí)踐中，帶鋼在電解槽運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生爆鳴和燒蝕，爆鳴原因是氫氣富集，帶鋼和電極板接觸產(chǎn)生電弧，引起電解出的氫氣爆鳴。燒蝕則是帶鋼與電極短接, 在局部高電流下帶鋼被燒蝕或帶鋼長(zhǎng)時(shí)間電解發(fā)熱而焦灼。因此，本文采取措施優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化清洗段帶鋼張力和糾偏設(shè)備

清洗區(qū)段的張力控制一直是重點(diǎn)之一，如果張力控制不好，極易造成帶鋼在槽內(nèi)跑偏、斷帶，對(duì)電解槽安全生產(chǎn)危險(xiǎn)較大。在設(shè)計(jì)時(shí)將清洗段布置在活套之后，減少頻繁升降速，改善張力環(huán)控制精度，將張力調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的影響降低。主令速度張力輥組布置在清洗段入口，將原布置在入口的張力計(jì)改到出口，利用出口張力輥組來實(shí)現(xiàn)清洗段穩(wěn)定的張力控制。糾偏輥設(shè)置在清洗出口，同時(shí)因帶鋼在槽內(nèi)運(yùn)行時(shí)存在較大的張力損失，對(duì)沉沒輥、轉(zhuǎn)向輥除了補(bǔ)償慣量和摩擦等損失外，還需要進(jìn)行張力補(bǔ)償，避免全靠補(bǔ)償出口張力輥組，導(dǎo)致過載或失張的調(diào)控，從而引起槽內(nèi)帶鋼跑偏。另外，當(dāng)機(jī)組控制系統(tǒng)判斷失張時(shí)，除了傳動(dòng)急停，電極板整流器輸出也將停止，避免帶鋼局部過熱燒蝕。

圖3 電解清洗段張力糾偏布置

3.2 增強(qiáng)帶鋼運(yùn)行穩(wěn)定措施

轉(zhuǎn)向輥配置壓輥壓緊帶鋼，帶傳動(dòng)設(shè)備，跟隨主線同步運(yùn)轉(zhuǎn)，以減少帶鋼抖動(dòng)，同時(shí)避免失張時(shí)帶鋼掉落接觸到電極板。轉(zhuǎn)向輥和壓輥包覆襯膠，帶鋼與輥?zhàn)咏^緣, 可以消除因板形不良產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象，沉沒輥輥面開溝槽凸輥，減少帶鋼的跑偏蹭邊并破壞襯膠層。

3.3 絕緣和接地輥配置

電解槽的絕緣和接地非常重要，且容易被忽視。設(shè)計(jì)改進(jìn)了在銅排與極板連接處的導(dǎo)電性和緊固性措施，防止產(chǎn)生電弧，電極板接口處鍍銀處理。安裝時(shí)要求特別注意消除雜質(zhì)和間隙，確保貼合緊密。由于槽體內(nèi)的浮力和攪動(dòng)，此處銅排與極板螺栓易松動(dòng)，也需點(diǎn)檢員定期檢查。對(duì)槽體整體襯膠，防止電極和槽體出現(xiàn)意外擦碰，以及出現(xiàn)電流旁路損耗。槽體和安裝基礎(chǔ)間的緊固螺栓均帶絕緣套。在電解槽入口、出口的支撐輥采用金屬輥身，配有接地碳刷，可手動(dòng)接通碳刷，避免緊急情況下帶鋼中局部電流過大。

3.4 中間絕緣板

一般認(rèn)為，在電解槽中間部位即正負(fù)電極板之間設(shè)置絕緣板，會(huì)改變槽內(nèi)電勢(shì)場(chǎng)的分布，從而改變電流方向，電流效率會(huì)提高。但是在工程實(shí)際應(yīng)用中有諸多問題，絕緣板一般為聚氨酯材質(zhì)，密度較輕，受浮力和帶鋼攪動(dòng)影響，受材料本身影響固定方式不可靠，絕緣板掉落損壞時(shí)有發(fā)生，立式槽的布置也導(dǎo)致絕緣板沿長(zhǎng)度方向極容易彎曲變形，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況權(quán)衡對(duì)比，在本機(jī)組中取消了絕緣板。

3.5 實(shí)時(shí)抽風(fēng)排放系統(tǒng)

槽體上方設(shè)計(jì)抽風(fēng)口，并在電解液面以上設(shè)置噴梁，起到攪動(dòng)消泡作業(yè)，持續(xù)抽風(fēng)避免氫氣富集。工程實(shí)際中是利用機(jī)組清洗段配置的堿液洗滌塔及風(fēng)機(jī)，在槽體上部設(shè)置抽風(fēng)口進(jìn)行抽排，風(fēng)機(jī)的啟停與機(jī)組生產(chǎn)連鎖控制。要注意合理使用消泡措施和吸風(fēng)口的位置，防止堿液泡沫被大量吸入管道。

3.6 電極板溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置

本機(jī)組中首次增加電極板母排溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置，測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在電極和母排接口處。其原理為非接觸式紅外檢測(cè)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的水蒸氣環(huán)境和堿液污染，采用高防護(hù)等級(jí)一體式帶輸出轉(zhuǎn)換的傳感器，將測(cè)溫信號(hào)顯示在現(xiàn)場(chǎng)及操作室HMI。根據(jù)以往的教訓(xùn)，監(jiān)控電極板溫度并給操作人員提供報(bào)警信號(hào)，能很好的預(yù)防事故發(fā)生。按照調(diào)試結(jié)果，如果電解系統(tǒng)整體選型匹配合適，電流滿載運(yùn)行時(shí)，母排接口處溫度不會(huì)高于某個(gè)值(約70～80 ℃，可在首次使用時(shí)調(diào)試確認(rèn))，操作人員后續(xù)使用時(shí)可以依此按實(shí)際的負(fù)載百分比，大致判斷電極的工作狀態(tài)，應(yīng)用效果比較明顯。

4 結(jié)束語

雖然電解清洗技術(shù)較為成熟，但在以往使用過程中暴露的問題也不少，甚至有發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。本文研制的某自主集成機(jī)組新型電解清洗設(shè)備綜合了多條生產(chǎn)線多年的使用經(jīng)驗(yàn)，在本機(jī)組2019年投產(chǎn)后，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用效果較好，對(duì)其他鋼廠選擇電解清洗工藝和設(shè)備有一定參考作用。