電解清洗裝置的改進(jìn)和優(yōu)化

海本增

(中冶南方工程技術(shù)有限公司)

0 前言

電解清洗是廣泛采用的去除帶鋼表面污物的有效方法，但是傳統(tǒng)的電解槽普遍存在著膠板使用壽命短、維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高、氫氣爆鳴事故頻發(fā)等現(xiàn)象，如何對(duì)其優(yōu)化和改進(jìn)，是冷軋生產(chǎn)技術(shù)長期以來致力發(fā)展的重要課題之一。

冷軋帶鋼在軋制過程中，表面會(huì)殘存大量的油脂和鐵粉，有時(shí)油脂和鐵粉的單面含量甚至都會(huì)高達(dá)300 mg/m2。對(duì)于連續(xù)退火線、鍍鋅線來說，如果在進(jìn)入爐子之前不對(duì)鐵粉和油脂進(jìn)行有效去除，不僅會(huì)污染設(shè)備，造成輥?zhàn)哟蚧?，影響機(jī)組正常運(yùn)行，而且還會(huì)嚴(yán)重影響帶鋼表面質(zhì)量，據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于脫脂除油不徹底而導(dǎo)致鍍層不良的比例一般占60% ～80%［1］。

傳統(tǒng)化學(xué)清洗或物理刷洗往往只能清除帶鋼表面的油污，而不能清除凹點(diǎn)處油污，電解清洗則能在帶鋼平面和凹點(diǎn)深處產(chǎn)生氣泡把油污帶走［2］，大大提高帶鋼的清洗效果。

1 電解清洗的主要原理

帶鋼進(jìn)入極板之間的電場(chǎng)時(shí)，其前后表面會(huì)感應(yīng)出電荷，在電解過程中帶鋼作為電極，在其表面發(fā)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生的細(xì)小起泡可將其表面的油脂和鐵粉剝離。也就是說電解清洗綜合利用了脫脂劑與帶鋼之間的皂化、乳化反應(yīng)以及電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的剝離作用，使帶鋼表面附著的油脂、鐵粉等雜質(zhì)脫離帶鋼而使其得到凈化。在整個(gè)過程中脫脂劑主要起到兩個(gè)作用：

1)與油脂起反應(yīng)，生成溶于水的脂肪酸鈉和甘油，化學(xué)反應(yīng)式如下：

2)在電解過程中起到導(dǎo)電介質(zhì)的作用，電解清洗的過程其實(shí)就是電解水：

當(dāng)帶鋼作為陰極時(shí)，其表面上進(jìn)行還原過程，析出氫氣，化學(xué)反應(yīng)式為：

當(dāng)帶鋼作為陽極時(shí)，其表面上進(jìn)行氧化過程，析出氧氣，化學(xué)反應(yīng)式為：

典型的立式電解清洗裝置如圖1所示。

2 傳統(tǒng)電解槽存在的問題

圖1 立式電解槽結(jié)構(gòu)示意圖

目前國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)線的電解槽均采用碳鋼或不銹鋼襯膠的結(jié)構(gòu)，普遍存在著電解槽內(nèi)襯膠層的使用壽命短(槽體內(nèi)部的襯膠層大多在1年左右)、電解槽內(nèi)頻繁出現(xiàn)氫氣爆鳴，甚至出現(xiàn)了電解槽起火爆炸的事故，不僅影響了機(jī)組的正常生產(chǎn)，而且給后續(xù)的維護(hù)工作帶來極大的不便。尤其是對(duì)于立式電極槽內(nèi)的襯膠而言，如果將其運(yùn)送至制造廠襯膠，雖然可以保證襯膠的質(zhì)量，但是需要拆除大量的設(shè)備，而且考慮到設(shè)備回裝及相關(guān)的運(yùn)輸時(shí)間，其檢修周期至少需要1個(gè)月左右;如果選擇現(xiàn)場(chǎng)襯膠，雖然少了設(shè)備拆裝和運(yùn)輸工作量，但是其襯膠質(zhì)量無法保證，而且由于其內(nèi)部空間狹小，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的環(huán)境極其惡劣。圖2和圖3為某施工現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)椴僮鞑划?dāng)導(dǎo)致極板發(fā)熱而最終引發(fā)槽內(nèi)膠版發(fā)熱而最終引發(fā)了起火事故的狀況。

圖2 事故后的電解槽

圖3 事故后的輥?zhàn)?/p>

此次事故雖然沒有造成人員傷亡，但是后續(xù)的修復(fù)時(shí)間長達(dá)1個(gè)多月，而且費(fèi)用高達(dá)近百萬。此外，在電解過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，如果不將其及時(shí)排出，如果氫氣濃度在槽內(nèi)富集，將會(huì)出現(xiàn)頻繁的爆鳴現(xiàn)象，對(duì)生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。

3 改進(jìn)和優(yōu)化

3.1 槽體及極板材質(zhì)優(yōu)化

傳統(tǒng)電解槽通常采用碳鋼襯膠的結(jié)構(gòu)，襯膠的主要目的是保護(hù)槽體免受電解腐蝕，以及槽體的絕緣。正常情況下，普通碳鋼是可以經(jīng)受住堿液的腐蝕的，但是在槽內(nèi)發(fā)生電解反應(yīng)時(shí)，其耐腐蝕能力將會(huì)大大降低，對(duì)于襯膠層來說也面臨著同樣的問題。正常情況下，選擇的膠板對(duì)堿液的耐腐蝕性都是足夠的，在沒有電解反應(yīng)時(shí)，可以用10～15年甚至更長(一般情況下，選擇的膠板對(duì)介質(zhì)的耐腐蝕性能為優(yōu)良，即膠板的腐蝕速度小于0.05 mm/年，而膠板的厚度為5 mm～6 mm，即使考慮到膠板老化因素的影響，上述年限也已經(jīng)非常保守)。但是在電解的情況下，其壽命就劇烈降低至1年，其主要原因就是受到了強(qiáng)烈的電解腐蝕：其一是在電解過程中產(chǎn)生了大量的氧氣，使電解液中的含氧量大幅升高，膠板在富氧的條件下因氧化而老化;其二是極板在與整流器的正極連接時(shí)，在電化學(xué)上被稱為陽極，陽極因缺少電子而具有很強(qiáng)的氧化性，對(duì)附近的膠板會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的氧化與“腐蝕”作用。在上述兩種作用的共同影響下，膠板的壽命大幅下降。鑒于上述的電解槽槽體襯膠層壽命短、維護(hù)工作量巨大的現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)時(shí)采用不銹鋼的槽體并對(duì)極板遠(yuǎn)離帶鋼的一面做襯膠處理(如圖4所示)。這種情況下，如果極板的襯膠層受到破壞，只需要對(duì)極板進(jìn)行整體更換即可，維護(hù)工作量、時(shí)間和費(fèi)用可以大大減少。此種設(shè)計(jì)已經(jīng)在國內(nèi)已有18條生產(chǎn)線上得到實(shí)踐，比如首鋼的4條鍍鋅生產(chǎn)線均的電解槽采用的不銹鋼槽體(不襯膠)，極板采用單面襯膠，自2010年投產(chǎn)以來，維護(hù)工作量和費(fèi)用較以往的電解槽大為減少，使用情況非常理想。

圖4 極板襯膠示意圖

3.2 增加鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)

在電解清洗過程中會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，而氫氣的爆炸極限很寬，為4% ～74.2%，也就是說，當(dāng)空氣中氫氣的含量在爆炸極限范圍內(nèi)時(shí)，遇到明火就會(huì)發(fā)生爆炸。為保證安全，一般的電解槽均設(shè)置了廢氣排放風(fēng)機(jī)，源源不斷地將電解槽內(nèi)產(chǎn)生的氫氣、氧氣及電解液蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣抽出，但是如果排放風(fēng)機(jī)的風(fēng)量不足或者抽風(fēng)口位置設(shè)置不當(dāng)，槽內(nèi)的氫氣因不能及時(shí)地排出而在局部富集，很容易產(chǎn)生叫爆鳴，對(duì)人身和設(shè)備安全帶來隱患。在設(shè)置電解槽的抽風(fēng)口時(shí)需要特別注意，由于氫氣的密度僅為 0.0899 kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的密度1.29 kg/m3，氫氣溢出后在電解槽的上部富集，抽風(fēng)口也應(yīng)該設(shè)置在槽體的頂部。此外，電解槽需要設(shè)置稀釋氫氣含量的鼓風(fēng)機(jī)，及時(shí)地向電解槽內(nèi)補(bǔ)充新鮮空氣，稀釋槽內(nèi)氫氣的濃度，防止因氫氣的局部富集而產(chǎn)生爆鳴。武鋼冷軋廠鍍鋅線的電解槽設(shè)置了1臺(tái)風(fēng)量為300 Nm3/h的鼓新風(fēng)的風(fēng)機(jī)，有效解決了槽內(nèi)發(fā)生爆鳴的現(xiàn)象。

3.3 整流器供電限制

前面所述事故發(fā)生的原因，除了操作工的誤操作之外，整流器供電的控制策略不夠安全也是一個(gè)重要原因之一，即電解槽內(nèi)沒有液體的情況下，整流器被允許供電，而導(dǎo)致極板發(fā)熱，最后引起槽內(nèi)膠板起火。如果對(duì)其供電條件作足夠的限制，此類事故時(shí)完全可以避免的。此外，在整流器供電之前，排霧風(fēng)機(jī)和鼓新風(fēng)風(fēng)機(jī)必須啟動(dòng)且運(yùn)行正常，避免氫氣在槽內(nèi)富集。電解液供料泵沒有正常工作，電解槽內(nèi)的電解液得不到更新，將會(huì)影響清洗效果。此外，帶鋼沒有運(yùn)行，電解槽沒有工作的必要?？偟膩碚f，只有在下列條件滿足之后，才能對(duì)整流器供電：

1)排霧風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常;

2)電解槽內(nèi)液位正常;

3)電解液供料泵運(yùn)行正常;

4)帶鋼的速度不為0。

此外，鑒于氫氣的爆炸極限很寬，為安全起見，當(dāng)整條生產(chǎn)線停車后，排霧風(fēng)機(jī)應(yīng)延遲運(yùn)行1 h～2 h，以便將槽內(nèi)殘存的氫氣排出。

4 效果分析

采用不銹鋼電解槽以及單面襯膠的做法可以大大減少設(shè)備的維護(hù)工作量和和費(fèi)用，只需要對(duì)極板進(jìn)行更換即可，其它部分基本上為"零維護(hù)";電解槽設(shè)置鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)有效解決了電解槽內(nèi)氫氣頻繁發(fā)生爆鳴的問題，消除了生產(chǎn)過程中存在的安全隱患;對(duì)電解槽供電條件的限制，可以保證機(jī)組的安全并節(jié)省能源。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，上述優(yōu)化措施均得到了很好的驗(yàn)證。

5 結(jié)語

改進(jìn)后的電解槽達(dá)到了預(yù)期的目的，大幅降低了設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

［1］ 黃宇，李棟.鍍鋅線清洗系統(tǒng)的維護(hù).冶金設(shè)備，2009(特刊)：95-96.

［2］ 薄煒，張愛華.冷軋帶鋼電解堿洗技術(shù).梅山科技，2009(3)：27-29.