微波加熱技術(shù)在鈦帶卷酸洗及脫脂過程中的應(yīng)用

常 軍，郭勝惠，彭金輝，楊 彪，蘇鶴洲，史亞鳴

(1. 昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650093)

(2. 云南鈦業(yè)股份有限公司，云南 楚雄 651200)

1 前 言

由于沒有保護(hù)性氣氛，鈦帶卷在高溫軋制時(shí)會(huì)發(fā)生氧化，形成硬而脆的氧化污染層，必須采用化學(xué)酸洗方法去除，以避免在后續(xù)加工中出現(xiàn)裂紋等缺陷。此外，在鈦帶冷軋過程表面需噴淋潤(rùn)滑油，起到潤(rùn)滑和冷卻的作用。為避免潤(rùn)滑油污染鈦帶表面質(zhì)量，退火前需對(duì)其表面進(jìn)行清潔和脫脂處理。

酸洗和脫脂處理都需要加熱。傳統(tǒng)的加熱方式有蒸汽直接加熱、蒸汽間接加熱、電熱管加熱等。這些加熱方式存在試劑消耗量大、熱利用率低、維護(hù)成本高等問題。微波加熱是利用波長(zhǎng)在0.1 ～100 cm之間的電磁波在物料內(nèi)部的能量耗散來直接加熱物料，根據(jù)物料電磁特性的不同，可及時(shí)有效地在整個(gè)物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量，加熱均勻，熱效率高，具有加熱速度快、工作溫度穩(wěn)定、反應(yīng)靈敏、對(duì)化學(xué)反應(yīng)起催化作用等優(yōu)點(diǎn)。昆明理工大學(xué)利用微波加熱技術(shù)研制了一種新型流體加熱設(shè)備，并進(jìn)行了中試，為微波加熱技術(shù)在鈦帶卷生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了參考。

2 微波加熱裝置及工藝流程

2.1 微波加熱裝置

昆明理工大學(xué)非常規(guī)冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了一種新型微波加熱鈦帶酸洗液/脫脂液裝置，以及與之相配套的控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。該裝置主要結(jié)構(gòu)為腔體、微波發(fā)生器、溫度傳感器、內(nèi)膽等，微波流體加熱裝置示意圖見圖1。

圖1 微波加熱流體裝置示意圖Fig.1 Sketch of microwave heating fluid device

微波加熱裝置的腔體為七面體結(jié)構(gòu)，微波發(fā)生器均勻布置在腔體的7 個(gè)面上。整臺(tái)設(shè)備的微波功率為35 kW，內(nèi)膽選用PPH(高密度聚丙烯)材質(zhì)，置于微波加熱裝置腔體內(nèi)，溫度傳感器分布在內(nèi)膽的進(jìn)口端和出口端。

2.2 微波加熱鈦帶酸洗液及脫脂液的工藝流程

根據(jù)以上所述的新型微波加熱裝置，結(jié)合鈦帶酸洗液及脫脂液的加熱特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種新的微波加熱鈦帶酸洗液及脫脂液的工藝流程，見圖2。

圖2 酸洗/脫脂工藝流程示意圖Fig.2 Picking/degreasing technology process flowsheet

生產(chǎn)過程開始時(shí)，開啟耐蝕泵，不斷地將液體(酸洗液/脫脂液)從儲(chǔ)罐中抽出，通過微波加熱裝置加熱后流至酸洗槽或脫脂槽，對(duì)經(jīng)過預(yù)沖洗后的鈦帶進(jìn)行除氧化層或除污，液體沿著槽體回流至儲(chǔ)罐，形成一個(gè)閉環(huán)回路。生產(chǎn)時(shí)鈦帶以一定速度通過槽體，槽體中配有上、下兩個(gè)刷輥，分別對(duì)鈦帶上表面和下表面進(jìn)行刷掃。鈦帶在槽內(nèi)進(jìn)行除氧化層或除污時(shí)會(huì)帶走液體的一部分熱量，加上其流經(jīng)管道、儲(chǔ)罐和槽體散失的熱量，需要不時(shí)補(bǔ)充這部分熱量以維持酸洗液或脫脂液的工作溫度。這時(shí)自動(dòng)控制電路根據(jù)溫度傳感器的輸出信號(hào)控制微波加熱功率的大小，使加熱后的液體溫度始終滿足酸洗或脫脂過程的需要。這樣，通過微波加熱設(shè)備的液體在閉環(huán)回路中形成升溫—降溫—升溫的循環(huán)。

3 微波加熱中試實(shí)驗(yàn)及工業(yè)化應(yīng)用

3.1 微波加熱酸洗液及脫脂液中試實(shí)驗(yàn)

鈦帶酸洗液由體積分?jǐn)?shù)為3% ～5%的氫氟酸按1∶5 的比例與硝酸混合而成，脫脂液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH 溶液。利用以上提及的微波加熱流體設(shè)備及相應(yīng)的工藝流程，進(jìn)行微波加熱混酸溶液和脫脂液的中試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如下:微波功率為24 kW，溶液體積為200 L，溶液循環(huán)流量為2.2 m3/h。開啟微波電源的同時(shí)記錄起始溫度，每間隔5 min 讀取微波加熱裝置進(jìn)、出口端溶液的溫度。將混酸溶液從28 ℃加熱至約69 ℃，NaOH 溶液從29 ℃加熱至約69 ℃時(shí)停止，得到酸洗液和脫脂液的升溫曲線如圖3、圖4 所示。

圖3 微波功率24 kW 時(shí)200 L 混酸溶液升溫曲線Fig.3 The 200 L mixed acid solution heating curve on 24 kW microwave power

圖4 微波功率24 kW 時(shí)200 L NaOH 溶液升溫曲線Fig.4 The 200 L NaOH solution heating curve on 24 kW microwave power

由圖3 和圖4 可知，混酸和NaOH 溶液的升溫速率都較快，因?yàn)槲⒉訜岵恍栌杀砑袄锏臒醾鲗?dǎo)，且混酸和NaOH 溶液都屬于極性物質(zhì)，介電常數(shù)較高，吸波性能較強(qiáng)。當(dāng)循環(huán)流量為2.2 m3/h 時(shí)，將體積為200 L 的混酸溶液由起始溫度28 ℃加熱至69℃需32 min，能耗為12.8 kW·h，將體積為200 L的NaOH 溶液由起始溫度29 ℃加熱至69 ℃只需30 min，整個(gè)過程所需能耗為12 kW·h。

3.2 微波加熱效率計(jì)算

加熱200 L 溶液所需能量由下列公式計(jì)算。

因溶液中溶質(zhì)濃度較低，比熱容c 取4.2 kJ/(kg·℃)，溶液質(zhì)量m 取200 kg，求得200 L 溶液從28 ℃及29 ℃升至69 ℃所消耗的能量分別為9.6 kW·h 和9.3 kW·h。在不考慮其他因素對(duì)試驗(yàn)造成影響的情況下，根據(jù)公式:

即可算出微波加熱混酸和NaOH 溶液的加熱效率都在70%以上。通過效率值可以看出，所設(shè)計(jì)的微波加熱裝置加熱效率較高，與燃煤—蒸汽鍋爐20%、電加熱50%的熱效率值相比，微波加熱裝置效率是傳統(tǒng)方式加熱效率的1.5 ～4 倍，對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗具有重大意義。

3.3 云南鈦業(yè)鈦帶卷酸洗線系統(tǒng)

為滿足云南鈦業(yè)股份有限公司20 000 t/a 鈦帶卷生產(chǎn)線，昆明理工大學(xué)微波應(yīng)用研究所研制了5臺(tái)總功率為1 300 kW 的新型微波加熱鈦帶冷軋酸洗液的裝置，以及與之相配套的控制柜、操作臺(tái)和冷卻系統(tǒng)，如圖5 所示。該裝置采用PLC(可編程邏輯控制器)控制，對(duì)鈦帶冷軋酸洗液進(jìn)行直接加熱，自動(dòng)控制電路根據(jù)溫度傳感器的輸出信號(hào)可自動(dòng)控制微波加熱功率的大小，即可方便地控制酸洗液的加熱溫度。

從生產(chǎn)實(shí)際效果來看，新研制的微波加熱設(shè)備不但使溫度達(dá)到了預(yù)清洗、酸洗與漂洗溫度預(yù)設(shè)值的要求，而且還與酸洗工藝模型的酸液濃度、鈦帶卷運(yùn)行速度和酸液介質(zhì)紊流速度相協(xié)調(diào)一致，生產(chǎn)出了滿足預(yù)期效果的高質(zhì)量鈦帶卷。特別是升溫階段所需時(shí)間相對(duì)傳統(tǒng)的加熱方式大為縮短，由原來的7 ～8 h 縮短至2 h。同時(shí)，對(duì)于整條酸洗鈦帶卷的生產(chǎn)線來說，微波加熱啟停的可控性、易操作性更適合于此類型的帶卷生產(chǎn)線。與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽，再通過蒸汽換熱給酸洗液的加熱方式每年消耗約8 300 t 標(biāo)煤相比，1 t 標(biāo)煤按排放二氧化碳2.7 t 算，每年減排20 000 t 二氧化碳和8.2 ×107m3煙氣，減少二氧化硫約70 t，氮氧化物約62 t，有效推動(dòng)了鈦產(chǎn)業(yè)園區(qū)的清潔生產(chǎn)。在低碳經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，對(duì)于企業(yè)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)碳零排放和綠色生產(chǎn)具有重要意義和環(huán)境效益。

圖5 鈦帶卷酸洗生產(chǎn)線的微波加熱系統(tǒng)Fig.5 Microwave heating system of titanium strip coil production line

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)鈦帶工業(yè)化起步較晚，需要大力研究加工技術(shù)，降低成本，提高生產(chǎn)效率。微波加熱作為一種新的加熱方式，克服了傳統(tǒng)方法加熱時(shí)間長(zhǎng)、有表面溫度梯度以及對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的能量損失大等缺點(diǎn)，獲得了大量應(yīng)用領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。但是微波加熱技術(shù)的應(yīng)用還不夠成熟，尚有許多問題需要解決，如微波能對(duì)酸洗液或脫脂液加熱機(jī)制的研究不夠成熟，各種酸洗液或脫脂液的物質(zhì)介電特性數(shù)據(jù)不夠齊全，如何根據(jù)這些液體介電特性設(shè)計(jì)出合理的微波反射腔以獲得更大更均勻的微波場(chǎng)，以及研制大功率工業(yè)微波加熱設(shè)備的一次投資費(fèi)用較高等。

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