帶鋼電解清洗裝置的故障處理

劉首躍，陳永弘

(1.中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223;2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200)

0 前言

冷軋帶鋼表面殘留較多的乳化液、鐵粉、油脂等污染物。經(jīng)檢測，污染物含量一般為600～1200 mg/m2(雙面)，最多可達1500 mg/m2，其中鐵粉和非金屬固體物約占40%［1］。實踐證明，帶鋼表面脫脂處理不徹底造成的后續(xù)加工缺陷，占整個成品缺陷的60%左右，典型的質(zhì)量缺陷為冷軋帶鋼表面的碳質(zhì)污斑和粘結(jié)，涂鍍層產(chǎn)品的“魚眼”、“縮孔”甚至涂鍍層的起皮和脫落。

高品質(zhì)冷軋產(chǎn)品以及涂鍍層產(chǎn)品均在退火處理前，通過堿噴(浸)洗、堿刷洗、電解、水刷洗、多級漂洗、干燥等處理工序，去除基板表面的各類污染物，完善的脫脂工藝處理后帶鋼表面可以達到:單面殘油＜10 mg/m2;單面殘鐵＜10 mg/m2;反射率≥90%以上，滿足高檔冷軋帶鋼產(chǎn)品以及汽車面板對基板的清潔度要求。

電解清洗技術作為帶鋼表面清洗工藝的重要工序，廣泛應用在冷軋帶鋼的清洗工藝段，通過電化學的方法清除帶鋼表面的鐵粉和油脂等雜質(zhì)，電解清洗具有非接觸、清洗速度快、清潔徹底的特點，是帶鋼表面清洗的重要工序，尤其在清除鋼板凹槽、縫隙以及堿沖洗和刷洗等工序未能有效清除的雜質(zhì)方面具有重要和不可替代的作用。

國內(nèi)某脫脂機組(本文后續(xù)稱為1#機組)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)某塊極板掉電，極板電流為零的狀況，該問題即刻造成該極板區(qū)域失去電解反應的條件，使得面對該極板運行的帶鋼無法在電解反應中獲得氣體去除雜質(zhì)，直接降低了帶鋼表面的清洗質(zhì)量，迫使機組停機，影響了正常生產(chǎn)。

1 電解工序原理

電解工序的原理:堿洗液中的水在電流作用下發(fā)生電解，利用水分解產(chǎn)生的氫氣和氧氣剝離帶鋼表面的鐵粉和油脂等雜質(zhì)。水電離出的H+或OH－參與的電極反應式如下［2］:

當電極為正極時，帶鋼感應為負極并發(fā)生反應，4H2O+4e－=2H2↑+4OH－

當電極為負極時，帶鋼感應為正極并發(fā)生反應，2H2O－4e－=O2↑+4H+

電解工序的除鐵和除油在電解槽中進行，工業(yè)上采用中間導電體法，即帶鋼不直接和電源相連接，電源是接在電極板上的，當入口部分的極板接陽極時，出口部分的極板便接陰極，此時，電流從陽極經(jīng)過堿洗液到達帶鋼，并從帶鋼經(jīng)過堿洗液到達陰極［3］。無論臥式電解槽還是立式電解槽，極板均浸在槽體堿洗液中，通入直流電并使之帶有極性，槽內(nèi)注滿3%～5%濃度的氫氧化鈉堿洗液，溫度保持在65～80 ℃之間，槽中運行的帶鋼因感應而產(chǎn)生與電極相反的極性。電極呈負極性時，面對極板的帶鋼表面呈正極性。反之，電極呈正極性時，面對極板的帶鋼表面呈負極性。不論帶鋼表面呈現(xiàn)正極性還是負極性，水的電極反應都會在其表面持續(xù)析出大量的氧氣和氫氣，通過這些氣體的溢出剝離帶鋼表面的雜質(zhì)。

極板的極性按一定時間或清洗鋼卷數(shù)自動更換，以防帶鋼長時間作為負極而發(fā)生氫脆現(xiàn)象以及極板表面產(chǎn)生過厚絕緣膜現(xiàn)象［4～5］。

圖1為某機組電解清洗工序投入前后帶鋼表面清潔狀況對比。圖中可以看到，鋼卷前半部分帶鋼未經(jīng)電解脫脂工序處理，殘留較多的鐵粉和油脂，帶鋼表面發(fā)黑;鋼卷后半部分帶鋼經(jīng)電解工序處理以后，帶鋼表面潔凈，呈現(xiàn)金屬本色。

2 電極極板

電極極板裝置是實現(xiàn)帶鋼表面除鐵除油的主要裝備，目前在工業(yè)上廣泛應用的極板材料為碳鋼、不銹鋼以及部分稀土材料。

圖1 電解工序投入前后帶鋼表面清潔狀況對比Fig.1 Comparison of strip surface clearness before and after using electrolytic process

極板結(jié)構(gòu)形式一般為板式結(jié)構(gòu)或焊接框架結(jié)構(gòu)，通過極板和子排的過渡連接，實現(xiàn)極板和直流電源的連接。

圖2為1#機組電解清洗裝置極板裝配圖。該機組采用雙立式電解槽，板式結(jié)構(gòu)極板，極板和子排均為不銹鋼0Cr18Ni9，厚度25 mm，總重約5000 kg。機組最高生產(chǎn)速度為500 m/min。極板通過上部的連接卡板和槽體下部的卡槽固定在電解槽中。8 塊極板和14 塊子排均通過不銹鋼螺栓連接，子排的另一端通過電纜和整流電源相連，按設計要求，最高通過8000 A 直流電流。

圖2 1#機組電極板裝配圖Fig.2 Assembly diagram of electrode plate in 1# cold rolling unit

3 1#機組故障及分析

1#機組生產(chǎn)過程中，一塊極板突然掉電，出現(xiàn)電流為零的狀況，此刻，極板和帶鋼之間的堿洗液失去電解反應條件，帶鋼表面無法在水的電解反應中獲得氣體去除雜質(zhì)，直接降低了帶鋼表面的清洗質(zhì)量，迫使機組停機。

檢查該處電解電源設備輸出正常，但對掉電極板裝置檢查發(fā)現(xiàn):(1)連接極板和子排的螺栓已經(jīng)完全斷裂，螺栓表面碳化發(fā)黑;(2)極板和子排間存在明顯間隙，極板和子排連接面已松動。極板故障位置如圖3 所示。

圖3 極板故障位置Fig.3 Position of electrode plate fault

綜合現(xiàn)場情況，分析認為:由于極板和子排因冷作加工成型的內(nèi)應力釋放、機組運行振動、槽體內(nèi)堿洗液的劇烈攪動以及螺栓松動等原因，逐漸造成極板和子排的連接松動并產(chǎn)生間隙，逐步擴大的間隙使得子排向極板傳遞的電流不能完全以面接觸的方式進行，瞬時的強電流通過螺栓傳導，導致螺栓過流熔斷并至極板失電。

該間隙是極板產(chǎn)生打火花、螺栓斷裂直至極板失電的主要原因。另外，帶鋼的高速運行以及機組加速和減速運行造成的振動，電解槽內(nèi)堿洗液的劇烈翻滾，使得垂直固定的極板反復的受到堿洗液沖擊，持續(xù)和不規(guī)則的振動亦加劇該間隙的擴大和螺栓的松動，是故障產(chǎn)生的環(huán)境原因。

由于極板材料為不銹鋼0Cr18Ni9，厚度25 mm，σ0.2≥205 MPa，材料的屈服強度大，僅靠螺栓緊固鎖緊力無法徹底消除極板和子排間的間隙。只要該處存在間隙，必將再次發(fā)生螺栓斷裂極板掉電的故障，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和機組正常生產(chǎn)。

4 改進措施及效果

在極板和子排連接面之間加墊4 mm 厚的紫銅板，利用紫銅材料優(yōu)良的導電性和良好的塑性，在螺栓擰緊力作用下，通過紫銅板的塑性變形，加大極板和子排間的接觸面積，完全消除連接螺栓處極板和子排之間的間隙，使得直流電流完全通過極板和子排間的連接面?zhèn)鬟f，另外，紫銅材料的柔軟性也能很好的減弱和吸收振動，消除振動環(huán)境引起極板和子排間微小松動的可能，徹底消除螺栓斷裂的隱患，2012 年5 月完成極板故障處理工作以后，機組穩(wěn)定運行至今，電解清洗裝置再未發(fā)生類似故障問題。

5 結(jié)論

電極板和子排是電解清洗裝置中的主要功能設備，經(jīng)過對1#機組的故障分析，對電極板和子排的設計、加工和安裝要求得到以下結(jié)論:

(1)極板結(jié)構(gòu)具有特殊性，每塊極板均需要通過螺栓和不同形狀的子排連接，必須確保各連接面完全貼合，才能保證極板在高電流強度、高溫、振動和極度潮濕的工況下穩(wěn)定和安全運行。

(2)設計極板和子排連接方法時，應在其連接面之間增設導電性能良好并且柔軟的過渡材料，比如紫銅板等，通過結(jié)構(gòu)設計，杜絕此類故障發(fā)生的可能，另外，還需考慮極板和子排之間一定的連接面積、適當?shù)穆菟〝?shù)量、螺栓直徑以及可靠的鎖緊方法。

(3)子排加工需遵循工藝路線:下料→彎曲成型→去應力退火(防止殘余應力造成材料變形)→機加工(保證平面度和粗糙度)，并對連接面的每個螺孔倒角處理消除凸臺，妥善保管防止加工面受損。

(4)極板部件尺寸大，形狀各異，一般都是在現(xiàn)場逐件安裝，注意避免運輸、吊運和安裝過程中對加工面的碰撞和錘擊，對意外原因造成的連接面損傷，應打磨處理后再安裝。

(5)如果連接面已經(jīng)變形，可以采用加墊紫銅板的方法解決，確保各連接面的連接可靠貼實。

［1］李九嶺.從對脫脂認識看帶鋼連續(xù)熱鍍鋅技術的發(fā)展［J］.軋鋼，2009，26(3).

［2］蔣紅年.電極反應式書寫混亂原因及對策［J］.化學教育，2014(5).

［3］張啟富，劉邦津，黃建中.現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007.

［4］王翔.連退機組預處理工藝研究［J］.梅山科技，2012(1).

［5］戴學誠.冷軋帶鋼的現(xiàn)代電解清洗工藝［J］.上海金屬，2007，29(2).