不銹鋼APH機(jī)組酸洗工藝研究

李小軍

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)對(duì)不銹鋼的需求呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，為了滿足市場(chǎng)需求，提高生產(chǎn)率，現(xiàn)代化的不銹鋼生產(chǎn)線將退火與酸洗合在同一機(jī)組內(nèi)進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，這種機(jī)組被稱為連續(xù)退火酸洗機(jī)組，即APL。APL機(jī)組主要包括AP（H）、AP（C） 等。其中，用于熱軋板卷退火和酸洗的機(jī)組稱為AP（H）機(jī)組，通過(guò)退火使熱軋板卷軟化、調(diào)整晶粒度或提高塑性，再經(jīng)酸洗后除去在熱軋或退火過(guò)程中生成的氧化鐵皮等雜質(zhì)。本文主要介紹并分析AP（H） 機(jī)組中的酸洗段的工藝特點(diǎn)。

1 不銹鋼酸洗工藝

1.1 酸洗目的及酸洗前預(yù)處理

在AP（H） 機(jī)組中，酸洗的目的是去掉熱軋及退火過(guò)程中在鋼帶表面形成的鐵鱗，即氧化層。除此之外，酸洗另一個(gè)目的是對(duì)不銹鋼表面進(jìn)行鈍化處理，提高鋼板耐蝕性。不過(guò)，由于不銹鋼的鐵鱗中含有與基體結(jié)合非常緊密的氧化鉻，使酸洗較普通鋼板更加困難。因此，為提高酸洗效果，必須在酸洗之前進(jìn)行破鱗處理（簡(jiǎn)稱預(yù)處理）。預(yù)處理方法采用機(jī)械破鱗技術(shù)，所采用的設(shè)備主要有噴丸機(jī)和破鱗機(jī)，兩種設(shè)備根據(jù)具體工藝要求既可單獨(dú)使用，也可聯(lián)合使用[1]，本文所述酸洗線是破鱗機(jī)加噴丸機(jī)聯(lián)合使用。

噴丸處理是利用噴丸機(jī)產(chǎn)生的壓力和離心力使小尺寸鋼丸以很高速度噴射在運(yùn)行中的帶鋼表面上進(jìn)行除鱗。噴丸機(jī)的基本工作原理是將鋼丸通過(guò)料斗和導(dǎo)筒送入葉輪裝置，從正反兩面噴射，噴射后鋼丸再通過(guò)螺旋槳及斗式提升機(jī)等循環(huán)裝置送到機(jī)體上部，用分離器將氧化皮和碎丸分離出去，然后將可用鋼丸再送回葉輪裝置循環(huán)使用。噴丸處理能力主要由葉輪裝置的輸出功率、投射量和投射速度決定，它們是噴丸機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)。

破鱗機(jī)是利用一組輥?zhàn)樱▋蓮澮怀C）將鋼帶以“S”形反復(fù)進(jìn)行彎曲，使帶鋼表面上的鐵鱗層產(chǎn)生龜裂，而更易于剝落。

1.2 酸洗工藝段描述

在AP（H）機(jī)組中，由于酸洗段和退火爐之間沒(méi)有活套，所以酸洗速度必須與退火速度相適應(yīng)。酸洗線的工藝處理主要包括：化學(xué)酸洗、刷洗、清洗及干燥。其中，化學(xué)酸洗段分成兩段，即硫酸酸洗和混酸酸洗[2]。

不銹鋼經(jīng)過(guò)軋制和退火后會(huì)在鋼帶表面形成一層氧化鐵皮，在氧化鐵皮中有鉻鐵氧化物，鐵氧化物和其它合金元素氧化物等成分，其混合物的比例取決于鋼的成分和退火條件 (溫度、加熱時(shí)間和氣氛)等。

這些金屬氧化物大都是以尖晶石的形式存在的，特別難溶于酸。此外，某些情況下，在這層氧化鐵皮下面還會(huì)形成一定厚度的貧Cr區(qū)，而為了保證鋼帶表面的性能，鋼帶表面的Cr含量一定要與鋼帶內(nèi)部相一致。因此，對(duì)鋼帶進(jìn)行酸洗的目的就是要通過(guò)使用不同溶液進(jìn)行多階段酸洗，以去除鋼帶表面的氧化鐵皮以及貧Cr區(qū)。

（1） 化學(xué)酸洗 （硫酸）

如前所述，氧化鐵皮中包含有一定比例的鐵基氧化物，這些氧化物用硫酸溶液清洗后即可被有效去除。

鋼帶表面在H2SO4中進(jìn)行酸洗時(shí)將發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)。

氧化鐵皮被溶解成：

用硫酸酸洗不銹鋼鋼帶的酸耗低，排氣凈化簡(jiǎn)單，酸洗速度快，在去除鐵基氧化物的同時(shí)對(duì)環(huán)境無(wú)污染。在硫酸酸洗后設(shè)置一臺(tái)雙磨擦刷洗機(jī)，通過(guò)機(jī)械方法清除鋼帶表面粘附的氧化鐵皮顆粒，同時(shí)噴射清洗水到鋼帶表面，以去殘余硫酸。

（2） 混酸酸洗

經(jīng)過(guò)第一階段的酸洗處理，部分氧化鐵皮已被去除，所剩余的氧化鐵皮為包括Fe－Cr－Ni等的混合氧化物。此時(shí)，通常使用硝酸和氫氟酸（HNO3+HF）的混酸，在去除這些混合氧化物的同時(shí)將貧Cr區(qū)一起消除。為提高帶鋼酸洗質(zhì)量，混酸酸洗過(guò)程分兩個(gè)階段進(jìn)行。當(dāng)鋼帶經(jīng)過(guò)最后一個(gè)酸洗槽，鋼帶表面最后的氧化物被去除后，鋼帶表面也變得光滑，再由刷洗機(jī)清理掉鋼帶表面的氧化鐵皮顆粒，噴射清洗水到鋼帶表面去除殘余酸，最后使用帶鋼烘干機(jī)對(duì)帶材進(jìn)行烘干處理。

對(duì)不同的鋼種其酸洗濃度也不相同（見(jiàn)表1、表 2）。

1.3 酸溶液的管理

酸溶液的管理和處理是一個(gè)在線過(guò)程。根據(jù)鋼種不同，新酸和再生酸將自動(dòng)按配比加入最后一個(gè)循環(huán)罐中。在酸排出之前，要經(jīng)過(guò)所有的循環(huán)罐，并送到酸再生裝置中。需定期對(duì)酸液進(jìn)行分析，以確定酸液實(shí)際濃度和設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)之間的差別。計(jì)算機(jī)將自動(dòng)計(jì)算所需加入的新酸量及再生酸量，加入新酸或再生酸的過(guò)程均自動(dòng)進(jìn)行。有了這種配制概念，酸濃度和金屬濃度總能控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，將會(huì)生產(chǎn)出表面質(zhì)量極好的產(chǎn)品[3]。

表1 AISI200中的酸洗標(biāo)準(zhǔn)

表2 AISI304中的酸洗標(biāo)準(zhǔn)

1.4 酸洗控制系統(tǒng)

根據(jù)酸洗系統(tǒng)的工藝要求，采用可編程序控制器（PLC）與操作站組成的自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)酸洗工藝段整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、控制與操作。該酸洗工藝段控制系統(tǒng)由兩個(gè)操作員站（HMI）、一套PLC系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化儀表、泵、閥等設(shè)備組成。酸洗工藝段主要檢測(cè)和控制項(xiàng)目有：

（1） 酸洗槽液位顯示及報(bào)警。

（2）循環(huán)罐液位和溫度顯示及報(bào)警。

（3）酸洗槽供酸泵出口壓力顯示及報(bào)警。（4）酸洗槽酸洗液循環(huán)管切斷閥的順序控制。（5）循環(huán)罐酸液、工業(yè)水進(jìn)水管和排放管處切斷閥控制。

（6）廢酸罐液位和溫度顯示及報(bào)警。

（7）廢酸罐酸液、工業(yè)水進(jìn)水管切斷閥的控制。

（8）廢酸罐排放管切斷閥的控制。

（9）廢酸罐排放總管壓力顯示及報(bào)警。

（10）清洗槽液位顯示及報(bào)警。

（11） 清洗槽清洗液循環(huán)泵出口總管壓力顯示及報(bào)警。

（12）清洗槽軟水進(jìn)入管切斷閥的控制。

（13）酸洗加熱用蒸汽換熱器蒸汽閥開(kāi)度控制。

（14）新酸供應(yīng)系統(tǒng)中供酸管路上流量計(jì)、泵及切斷閥監(jiān)控及每個(gè)儲(chǔ)罐新酸供量控制。

該系統(tǒng)的控制模式為模擬量控制和開(kāi)關(guān)量順序控制。其中的模擬量控制回路主要包括：酸溫控制回路、水和酸流量控制回路等，采用PID控制方式。開(kāi)關(guān)量順序控制主要包括：供、排酸控制、壓力聯(lián)鎖控制、液位聯(lián)鎖控制等。設(shè)備控制模式分就地手動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、自動(dòng)等三層控制模式。

2 不銹鋼酸洗工藝的實(shí)際應(yīng)用

某廠不銹鋼APH機(jī)組的酸洗線總長(zhǎng)度113.365 m（見(jiàn)圖1）。

（1） 預(yù)清洗均為1.4 m。

（2） 硫酸酸洗槽1個(gè)，長(zhǎng)度為1×20 m，酸洗時(shí)間為20 s。

（3） 1#、2#刷洗機(jī)為雙排刷輥，長(zhǎng)度7.45 m。（4） 硫酸酸霧處理能力為8 000 m3/h。

（5） 混酸酸洗槽3個(gè)，長(zhǎng)度為3×20 m，酸洗時(shí)間為60 s。

（6）最終清洗及3#、4#刷雙排刷輥洗機(jī)總長(zhǎng)度為9.35 m+1.9 m。

（7） 烘干機(jī)長(zhǎng)度2.6 m。

（8） 混酸酸霧處理能力為14 000 m3/h。

2.1 酸洗段的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）該酸洗線的酸洗段分成硫酸和混酸酸洗段兩段。每一段都設(shè)計(jì)有高渦流酸洗槽。整條線共有一個(gè)硫酸酸洗槽和三個(gè)混酸酸洗槽以及相應(yīng)的循環(huán)罐、循環(huán)泵和管道等。

（2）用于添加的新酸或再生酸洗液以與鋼帶運(yùn)行相反的方向加入，以噴流的方式流入第一酸洗槽，并排出相應(yīng)數(shù)量的酸洗液。這種方式使酸洗線可以達(dá)到設(shè)定的紊流效果。

（3） 在混酸段，每個(gè)酸洗槽配有單獨(dú)循環(huán)罐，確保循環(huán)泵可以收集足夠的酸，同時(shí)使整條酸洗線可以儲(chǔ)存足夠的酸。酸洗溶液的加熱或冷卻均由外部熱交換器負(fù)責(zé)。

（4）當(dāng)酸洗線不運(yùn)行或生產(chǎn)線因故停車時(shí)，酸洗液將從酸洗槽排入到循環(huán)罐中。工作時(shí)再由循環(huán)泵把酸排入酸洗槽。在此期間自動(dòng)進(jìn)行旁通加熱。

（5）為了防止廢氣散出，酸洗和清洗槽都有槽蓋，并且裝有凈化系統(tǒng)。

（6）為了避免污泥沉積，保持酸液始終流動(dòng)并避免“死區(qū)”非常重要。

為此，酸洗槽兩邊在軋制線上下方設(shè)有多處噴射點(diǎn)使槽中的酸液形成高紊流。這種邊部噴酸法能使帶鋼快速預(yù)熱，尤其在第一酸槽內(nèi)，使酸洗可以立刻開(kāi)始；這種交叉噴酸的方法在酸槽中能產(chǎn)生極好的渦流，避免酸槽中污泥及從鋼帶表面除下的氧化鐵皮殘?jiān)练e。同時(shí)，這種高渦流會(huì)使鋼帶表面物質(zhì)交換更加充分，還可以提高酸洗效率。

（7）酸槽溫度監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行要求，通過(guò)改變控制系統(tǒng)名義值調(diào)整酸槽溫度。使鋼帶速度降低時(shí)，酸槽溫度也能相應(yīng)降低，以節(jié)約能量。

（8）酸槽的底部設(shè)計(jì)成斜面形式，以便于排酸口排液。酸液流中的一部分總是經(jīng)由這些出口進(jìn)行排出。其它部分的酸液則是通過(guò)每個(gè)槽的入口和出口箱排出。

（9）在硫酸酸洗槽和混酸酸洗槽后各設(shè)有一臺(tái)雙摩擦刷洗機(jī)，通過(guò)機(jī)械方法清理掉帶鋼表面松散粘附的氧化鐵皮顆粒。同時(shí)噴射清洗水到帶鋼表面，以去除粘附的殘酸，提高鋼帶表面質(zhì)量（見(jiàn)表3）。

（10） 當(dāng)帶鋼離開(kāi)最后一個(gè)酸槽時(shí)，帶鋼表面殘酸必須被清理干凈。因此在最終清洗段設(shè)有刷洗、完全清洗段。其中，完全清洗段包括噴射清洗槽、2個(gè)單刷洗槽和熱清洗槽。為了節(jié)約能源，使清洗水用量最少，所有四個(gè)槽被連在一起，并布置為瀑流形式。這意謂著冷凝水或脫鹽水被加入到最后一個(gè)清洗槽后，將會(huì)經(jīng)過(guò)所有清洗槽一直溢流到第一個(gè)槽中。用過(guò)的清洗水中一部分用于平衡混酸槽的蒸發(fā)損失，其余部分將排到廢水坑（見(jiàn)表4）。

圖1 酸洗簡(jiǎn)圖

表3 刷洗機(jī)特性

表4 噴射清洗系統(tǒng)特性

（11）帶鋼被清理干凈后將通過(guò)干燥機(jī)去掉表面殘余的水分。帶鋼干燥機(jī)使用非直接加熱的空氣進(jìn)行干燥?？諝庥梢粋€(gè)徑向鼓風(fēng)機(jī)吸入，通過(guò)熱交換器后經(jīng)過(guò)帶有特殊噴管的分配系統(tǒng)烘干帶鋼。另外，還設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)烘干帶鋼邊部。

2.2 酸洗溶液控制

該酸洗線配有分析儀和相應(yīng)的分析系統(tǒng)，可以確定所需新酸和水的用量，并且酸和水按配比自動(dòng)加入循環(huán)罐中。分析系統(tǒng)對(duì)H2SO4、HF及HNO3游離酸和總酸濃度及金屬離子總濃度進(jìn)行取樣分析。

（1）H2SO4的游離酸和總酸濃度。（2）金屬離子的總濃度。

（3）HF游離酸和總酸濃度。

（4） HNO3游離酸和總酸濃度。

根據(jù)分析結(jié)果，激活配制程序的控制系統(tǒng)，調(diào)整H2SO4、HF及HNO3配制量并生成分析文件。

在酸洗過(guò)程中，因各種酸液的溫度都比較高，勢(shì)必會(huì)有各種酸液揮發(fā)物和各種廢氣產(chǎn)生。為保護(hù)環(huán)境，需要進(jìn)行集中收集，待凈化處理達(dá)標(biāo)后才能排放。

排煙系統(tǒng)負(fù)責(zé)抽取酸洗段所產(chǎn)生的煙霧，并輸送到相應(yīng)的煙霧處理系統(tǒng)。煙霧中所含的酸由洗滌塔系統(tǒng)去除。硫酸酸洗段所產(chǎn)生的煙霧經(jīng)過(guò)洗滌之后排放到大氣中，而混酸酸洗段所產(chǎn)生的煙霧在經(jīng)過(guò)洗滌之后還要送至氮氧化物處理裝置進(jìn)行處理。在H2SO4廢氣凈化系統(tǒng)中，廢氣通過(guò)一個(gè)風(fēng)機(jī)被引導(dǎo)到一個(gè)密集噴射區(qū)。在該噴射區(qū)，廢氣與凈化溶液接觸，并通過(guò)液滴分離器和除霧器將廢氣和液滴進(jìn)行分離。

因來(lái)自混酸酸洗段的氣體具有相當(dāng)高的HF濃度，所以在混酸廢氣凈化系統(tǒng)中，氣體清理裝置分為HF洗滌塔和SCR脫氮裝置兩個(gè)部分?；焖崴嵯炊螝怏w先進(jìn)入氣體洗滌塔的底部（收集盤），在那里氣體改向進(jìn)入對(duì)流系統(tǒng)，氣體垂直向上通過(guò)填充料（洗滌塔），同時(shí)洗滌液由離心泵從洗滌塔頂部均勻地噴射到填充料上。在這個(gè)過(guò)程中，氣體和洗滌液之間充分接觸，使氣體相與液體相之間的物質(zhì)交換充分進(jìn)行，而具有網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)的填充料安裝在洗滌塔頭部，既可以做為霧收集器，又能夠有效地分離懸浮物和氣體。從填充料排出的洗滌液匯集到洗滌塔底部收集盤處，再由化學(xué)離心泵通過(guò)管道和噴嘴循環(huán)使用。

經(jīng)過(guò)洗滌塔清洗氣體（降到指示的極限值）被運(yùn)送到催化SCR脫氮裝置，將在催化SCR脫氮裝置中進(jìn)行NOX的還原。經(jīng)過(guò)這樣處理后的有害氣體僅為處理前的5%～20%。最后，酸洗段所產(chǎn)生的廢酸水被收集到地坑內(nèi)，并用泵輸送到廢水處理廠進(jìn)行處理。

3 結(jié)語(yǔ)

到目前為止，國(guó)內(nèi)幾家大型不銹鋼生產(chǎn)廠所建設(shè)的不銹鋼退火酸洗機(jī)組均由國(guó)外引進(jìn)，只有部分設(shè)備為國(guó)內(nèi)合作制造。因此，經(jīng)過(guò)對(duì)多條機(jī)組酸洗段工藝和設(shè)備選擇特點(diǎn)的分析研究，總結(jié)出一套先進(jìn)成熟、經(jīng)濟(jì)可靠的生產(chǎn)工藝及合理的設(shè)備配置方案，對(duì)今后我國(guó)自主集成不銹鋼退火酸洗線具有重要意義。

[1]秀平．不銹鋼生產(chǎn)用新型軋制、退火和酸洗生產(chǎn)設(shè)備 [J]．鋼鐵，2001 （11）：12－15．

[2]干勇．先進(jìn)鋼鐵材料技術(shù)的進(jìn)展．[J]．中國(guó)冶金，2004（8）．

[3]朱敏之．日本川崎制鐵的不銹鋼生產(chǎn)工藝特點(diǎn)與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)．[J] ．特鋼技術(shù)，2004 9 （2） ．