嘗試替代酸洗的新型除鱗工藝簡述

段明南,李山青

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

黑色金屬及其許多合金材料在熱態(tài)工藝處理期間或之后,都會在表面形成一層由金屬氧化物組成的致密覆蓋物,因覆蓋層存在微觀較均勻的類似魚鱗的裂紋,故俗稱“鱗皮”。鱗皮的存在對金屬進(jìn)一步的冷態(tài)壓延、沖壓、涂裝等處理都會造成不同程度的負(fù)面影響:首先,鱗皮會直接壓入金屬表面,造成成品表面的宏觀缺陷(如凹坑、孔洞等);其次,涂裝后的鱗皮埋沒在鍍層與本體之間,極易產(chǎn)生氣泡而破壞耐蝕鍍層,從而影響耐蝕指標(biāo);再次,沖壓期間的鱗皮不僅惡化生產(chǎn)環(huán)境,同時加速磨具的磨損[1]。

為了消除鱗皮對鋼鐵制品后工序的負(fù)面影響,人們100多年前就開始采用化學(xué)酸洗。隨著鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,酸洗工藝的固有缺陷日趨顯著:①酸霧對廠房及周邊設(shè)施影響巨大,酸霧的排放直接導(dǎo)致工廠壽命急劇降低;②廢酸處理的建設(shè)成本與運營成本均較高,且處理期間始終存在粉塵與酸霧排放,污染環(huán)境;③因原料鱗皮的不均勻?qū)е滤嵯闯[的不均勻,局部的過酸洗造成金屬損失大,成本居高不下;④新鋼種的合金添加以及短流程等新工藝的工業(yè)化,導(dǎo)致鱗皮形態(tài)與屬性日趨復(fù)雜,傳統(tǒng)酸洗難以保障其成本合理時的除鱗質(zhì)量。

為了解決這一系列新老問題,科研工作者持續(xù)多年進(jìn)行了大量的科研試驗與理論研究,開發(fā)各種新技術(shù)和設(shè)備嘗試替代酸洗,具體如:等離子、超聲波、激光、干法拋丸、高速射流等除鱗方法。時至今日,真正開始實現(xiàn)酸洗替代而且已經(jīng)逐步工業(yè)化的除鱗工藝僅為高速射流工藝,而且高速射流的多個不同技術(shù)分支均實現(xiàn)了不同的技術(shù)突破,各分支特征如表1所示。

表1 高速射流工藝的各分支及相關(guān)信息Table 1 Branches and relevant information of high speed jet process

2 傳統(tǒng)干法拋丸除鱗

干法拋丸最早可追溯到1920年的美國明尼蘇達(dá)州,拉爾斯·馬格努斯·安德森和奧古斯特·G·安德森通過一對相互接觸的皮帶輪裝置,利用其高速運行的皮帶凸起對磨料顆粒進(jìn)行連續(xù)的加速、推射,進(jìn)而達(dá)到對金屬表面的擊打、磨削,實現(xiàn)表面強化與附著物清理的工藝目標(biāo)。而后在美國鑄造公司、Pangborn、Wheelabrator等公司的不斷努力下,拋丸機的結(jié)構(gòu)日趨合理并最終演變成當(dāng)前的拋丸器形式。之后拋丸清理技術(shù)得到了長足的進(jìn)步并且被廣泛應(yīng)用到多個領(lǐng)域當(dāng)中,如鑄造行業(yè)中的拋丸落砂、機械零部件行業(yè)中的拋丸強化等[2],而控制合適的工藝參數(shù)則可實現(xiàn)對鋼材表面氧化鐵皮的清除,即拋丸除鱗。拋丸除鱗是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將磨料顆粒拋向工件表面來實現(xiàn)的。圖1為Wheelabrator公司官網(wǎng)上對帶鋼進(jìn)行拋丸除鱗的示意圖:拋射磨料的葉輪盤對稱布置在熱軋帶鋼兩側(cè),當(dāng)帶鋼持續(xù)通過時,連續(xù)拋射出的磨料射流實現(xiàn)對帶鋼正反面同步除鱗,同一側(cè)的兩個葉輪旋向相反是為了通過熱區(qū)補償、疊加獲得更加均勻的除鱗質(zhì)量。

在熱軋帶鋼除鱗技術(shù)領(lǐng)域,拋丸工藝主要是配合酸洗工藝使用,如對于難酸洗的不銹鋼、高牌號硅鋼,先使用高強度的拋丸工藝去除部分氧化鐵皮并使得剩余氧化鐵皮破裂產(chǎn)生鱗皮裂紋后,通過酸洗再進(jìn)一步實現(xiàn)徹底除鱗。瑞士的DISA公司(后并入Wheelabrator公司)可作為干法拋丸的代表企業(yè)之一,其研制出HB鋼帶拋丸清理系統(tǒng),可模塊化集成到連續(xù)式酸洗線及推拉式酸洗線中,可處理帶鋼最大寬度2 100 mm,單臺拋丸器最大功率為90 kW,最大拋丸量為1 200 kg/min。從20世紀(jì)80年代至今,已推廣多套系統(tǒng)至鋼鐵企業(yè)(蒂森、浦項、寶鋼、太鋼等)。

在除鱗大生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域,拋丸的工藝缺點非常明顯:①除鱗質(zhì)量不理想。拋丸清理的除銹等級通常在Sa2.0～Sa2.5,氧化鐵皮無法完全清除;其次,在處理低碳鋼時容易產(chǎn)生丸粒嵌入的缺陷;此外,成品表面較高的粗糙度限制了應(yīng)用范圍。②工藝過程產(chǎn)生大量粉塵。污染環(huán)境且易造成火災(zāi)、爆炸,需要配備龐大的除塵設(shè)備。

3 離心混合射流除鱗

自20世紀(jì)初冶金行業(yè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)酸洗除鱗的工業(yè)污染,而且開始尋求各種可替代酸洗的新型工藝。在20世紀(jì)30年代之后,干法拋丸作為主要研發(fā)改進(jìn)對象而獲得高速發(fā)展。在進(jìn)入1950年之后,美國Wheelabrator公司提出:通過發(fā)射一種水與磨料的混合物,可以實現(xiàn)對鑄件表面的鱗皮進(jìn)行半清除或全部清除,其環(huán)保性優(yōu)異。在此之后,濕法拋射開始緩慢進(jìn)步并逐步靠近大生產(chǎn)。

時至今日,離心混合射流工藝的最典型應(yīng)用企業(yè)主要有兩家:美國TMW-EPS工藝與寶鋼BMD工藝,而且兩家均已成功應(yīng)用于冶金企業(yè)的大生產(chǎn)除鱗。其中,EPS工藝研發(fā)與推廣的時間更早,截止目前投產(chǎn)的EPS機組約20多條(含國內(nèi)外全部的板線、卷線)。

3.1 美國EPS工藝

EPS工藝原理:將水砂混合漿料推送至高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)射器,經(jīng)過發(fā)射器加速、拋射后形成一塊類似三角形的射流,持續(xù)沖擊、磨削鋼板的表面,進(jìn)而實現(xiàn)鱗皮清除;除鱗后的板面在接觸到水體中的防銹試劑后,有效解決了裸露板面銹蝕的問題,達(dá)到最終除鱗的目標(biāo)[3]。其除鱗后的板面微觀質(zhì)量如圖2。

美國TMW公司自2013年進(jìn)入中國以來,截至目前在中國已經(jīng)投產(chǎn)超過10條(板與卷)產(chǎn)線,EPS系統(tǒng)已經(jīng)成功在國企鋼廠(如太鋼、鞍鋼)、民營加工廠(如新余市碧水、常青機械等)實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用,其產(chǎn)品陸續(xù)供應(yīng)沖壓涂裝、冷態(tài)軋制等各類下游工藝,產(chǎn)品質(zhì)量合格,成品性能優(yōu)異。

然而,自2014年在中國國內(nèi)建設(shè)的第一條EPS機組投產(chǎn)之后,其系統(tǒng)所固有的原理缺陷、設(shè)計缺陷等逐步凸顯,筆者通過持續(xù)10年的跟蹤、實地走訪與詳細(xì)交流,就其主要問題歸納如下:

(1) 其他公司污水無法做到不排放。水體需定期外排或委托處理,否則水質(zhì)惡化至無法生產(chǎn)。

(2) 能耗太高。產(chǎn)出成品質(zhì)量為Sa3.0級時,生產(chǎn)的能耗較高,尤其是噸鋼電耗太高。

(3) 系統(tǒng)穩(wěn)定性差。耗材服役壽命短、維護頻繁,且異常故障率太高,無法滿足持續(xù)大生產(chǎn)。

(4) 售后支撐能力薄弱。EPS源于美國,國內(nèi)代理商無技術(shù)支撐能力,故障等無法及時有效的解決。

基于以上各原因,導(dǎo)致EPS自2014年以來陸續(xù)建設(shè)的各條除鱗產(chǎn)線,其實際運行狀況并不理想,這也嚴(yán)重阻礙了EPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3.2 寶鋼BMD工藝

寶鋼BMD工藝(Baosteel Mechanical Descaling technology,寶鋼機械除鱗,簡稱BMD)是一項寶鋼歷時超10年且完全自主開發(fā)的一種先進(jìn)除鱗工藝。該工藝主要使用磨料與水的混合物作為除鱗介質(zhì),在持續(xù)循環(huán)過程中實現(xiàn)介質(zhì)的回收分離與高速擊打,從而實現(xiàn)對金屬表面的鱗皮清除,其工藝模型如圖3所示。

基于這種方式,可對金屬板帶的熱軋鱗皮進(jìn)行有效清除,且除鱗能效極高,其除鱗前后的表面形貌如圖4、5所示,圖中鋼卷規(guī)格為厚度4.0 mm、寬度1 450 mm、鋼種Qste650。

截至目前,BMD已建成并投產(chǎn)兩條商業(yè)化機組(2015年窄卷機組與2018年寬卷機組),其產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于各類汽車零部件、卡車底盤件、車輪以及冷軋向原料,并在國內(nèi)超過10家汽車主機廠或零部件供應(yīng)商完成了嚴(yán)苛的各項質(zhì)量認(rèn)證,且部分廠家正在持續(xù)批量供貨,質(zhì)量達(dá)標(biāo)。BMD工藝及產(chǎn)品依托其優(yōu)異的環(huán)保性能、高效除鱗性能、低廉的成本及良好的工藝穩(wěn)定性,獲得了業(yè)內(nèi)的一致好評。

相比于其他類似除鱗工藝,BMD工藝具備如下典型優(yōu)勢:

(1) 無廢水、廢氣及固廢的排放。介質(zhì)持續(xù)循環(huán)無外排(如BMD商業(yè)機組,從未排放過污水)。

(2) 噸鋼電耗極低。相比于競爭對手,在同工況與同質(zhì)量情況下,BMD噸鋼電耗約為競爭對手的一半,而電耗往往是射流除鱗工藝的第一成本。

(3) 穩(wěn)定性好。耗材種類少且服役壽命明顯長于競爭對手,異常故障率低,可滿足于連續(xù)大生產(chǎn)。

(4) 速度較快。帶寬1 200～2 000 mm時,除鱗速度可達(dá)90 m/min;當(dāng)帶寬≤900 mm時,BMD可實現(xiàn)150 m/min穩(wěn)定除鱗生產(chǎn),成品質(zhì)量Sa3.0。

(5) 售后有保障。BMD技術(shù)開發(fā)團隊與工程建設(shè)團隊共計11人,歷時10年,持續(xù)服務(wù)各用戶。

4 高壓混合射流除鱗

高壓混合射流工藝是通過高壓水作為動力源,將磨料吸入噴嘴并混合加速,最終經(jīng)由噴射口噴出并擊打在金屬表面而實現(xiàn)鱗皮清除的新型環(huán)保工藝。該工藝的最大特點是使用了超高壓水,即工作壓力通常在30～70 MPa范圍。

高壓混合射流工藝是由氣噴丸工藝演化而來。最早在20世紀(jì)的第一個10年,北美就公開了一種水力混合磨料的噴射清理系統(tǒng)及工藝方案,并明確提出:這種工藝方案比壓縮空氣更為經(jīng)濟、更為高效。自此之后,受高壓泵組、耐磨材料等基礎(chǔ)性能的限制,該技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展緩慢。但進(jìn)入20世紀(jì)70年代后,美國人諾蘭與約翰分別提出了改進(jìn)型的混合噴射方式:同樣采用高壓水作為動力,但其噴嘴結(jié)構(gòu)更為簡單、且混合效率明顯更高;與此同時的日本富士精機、石川島播磨等,均提出了這種射流系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用案例。

高壓混合射流工藝在我國起步較晚,最初研究這類工藝的單位主要為采礦或石油勘探領(lǐng)域。例如,中國石油大學(xué)的沈忠厚院士在20世紀(jì)70年代中期就開展了該工藝的研究與應(yīng)用。沈院士及弟子主要針對“前混合”射流工藝,即磨料與高壓水在進(jìn)入噴嘴之前就已經(jīng)混合充分的射流工藝;其次,淮南礦院、長沙礦院等都對此進(jìn)行了深入的研究。其中長沙礦院(分為長沙礦冶與長沙礦山)主要以后混合工藝為主,且多年以來一直堅持科研開發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用相結(jié)合,從90年代開始,長沙礦院將射流工藝成功應(yīng)用于棒線材的表面除鱗(參見圖6),而后在2012年,首次開發(fā)出板卷除鱗產(chǎn)線,但因為技術(shù)水平限制,該除鱗鋼卷的寬度較小、且主要以民營低表面質(zhì)量要求為主。

截至目前不完全統(tǒng)計,高壓混合射流工藝已累計建設(shè)的機組數(shù)量超過50條,在中國的河北、廣州以及長三角區(qū)域密集投建,且有出口至越南的工程業(yè)績。

然而,根據(jù)筆者多次的實地走訪調(diào)研,發(fā)現(xiàn)這類除鱗工藝存在如下典型特征:

(1) 高壓泵組及管路系統(tǒng)龐雜。設(shè)備數(shù)量龐大、管路連接繁雜(參見圖7),導(dǎo)致占地面積大、維護頻繁、成本高等一系列問題。

(2) 綜合能效太低。因采用增壓、高壓傳輸、高壓混合等一系列大能耗工藝,導(dǎo)致系統(tǒng)裝機容量太高,且噸鋼除鱗的電耗居高不下。

(3) 質(zhì)量不穩(wěn)定。密集射流的錯位布置是實現(xiàn)均勻質(zhì)量的前提,然而局部噴嘴堵塞、異常磨損、管路不暢等,都會導(dǎo)致成品表面產(chǎn)生斑馬條紋;同時,高壓射流本身的強度分部不均勻,導(dǎo)致成品粗糙度、清除率等都不一樣,最終降低了成品的應(yīng)用等級。

也正是基于以上特征,在2018年之后,許多除鱗機組已經(jīng)停產(chǎn)或拆除?；诟邏夯旌仙淞鞯脑硖卣?在一些小型表面處理的需求領(lǐng)域上,該工藝有其特殊的工藝優(yōu)勢。

5 濕法浮動刷輥除鱗

濕法浮動刷輥除鱗是一種典型的機械除鱗工藝,其通過鋼絲或耐磨陶瓷顆粒與板面之間的接觸研磨,實現(xiàn)對金屬表面氧化鐵皮和雜質(zhì)的清除。在冶金除鱗工藝上,刷輥屬于一種輔助性表面清理工藝,其往往設(shè)置于拉伸矯直機或多輥矯直機的出口,對已經(jīng)裂開或松脫的鱗皮進(jìn)行力學(xué)刷除。對于獨立的刷輥機組,如美國SCS工藝(參見圖8),其主要用來清除金屬板材表面的浮灰或浮銹,避免下工序的工人生產(chǎn)環(huán)境的灰塵太多;對于致密的鱗皮組織,刷輥的處理效果往往不佳[4]。

中國浙江有一家企業(yè)提出了一種“浮動式濕法磨削除鱗工藝”,并成功將該工藝分別應(yīng)用于不銹鋼盤條與不銹鋼卷的除鱗大生產(chǎn)。該企業(yè)在自有廠房內(nèi)建設(shè)了一條連續(xù)化除鱗示范機組,機組中的工藝段長度近90 m(參見圖9),在工藝段之前設(shè)置有1臺拉伸矯直機,用于輔助破鱗以提高速度并矯直板形。

該工藝因為采用接觸式磨削方式來實現(xiàn)除鱗,其除鱗能效最高。然而,刷輥除鱗工藝早在幾十年前的歐美就已經(jīng)有人多次嘗試、探索,因發(fā)現(xiàn)該工藝存在如下幾個技術(shù)瓶頸而放棄:

(1) 刷輥服役壽命。刷絲屬于典型耗材,尼龍制刷絲有噴水冷卻時,其連續(xù)工作時間<300 h。

(2) 帶鋼寬度上的除鱗均勻性。當(dāng)單根刷輥磨削的寬度較大時,寬度上的除鱗均勻性無法保證。

(3) 磨削力度的控制:刷絲通過接觸磨削,在將最外面鱗皮磨削清除后,很容易磨損基體導(dǎo)致金屬收得率下降。

基于以上,刷輥工藝在普通金屬板帶的大生產(chǎn)上應(yīng)用困難較大,但如果將其應(yīng)用于某些特殊產(chǎn)品,如昂貴的不銹鋼板卷、鈦板的除鱗,或者是某些附加值極高的金屬板卷的表面處理上,在有效解決了對金屬基體過度磨削的前提下,其仍然具有較大的應(yīng)用潛力。

6 氣噴混合射流除鱗

氣噴混合射流除鱗工藝是利用壓縮空氣作為動力源,利用噴嘴的內(nèi)腔,將水砂混合物供入噴嘴腔體并與壓縮空氣混合實現(xiàn)動能傳遞,并最終將動能傳遞至磨料顆粒,實現(xiàn)磨料高速噴射的表面清理工藝。該工藝因為含有水,故其無粉塵污染,操作環(huán)境比較干凈。圖10為氣噴水砂的噴嘴結(jié)構(gòu)與壓縮空氣站結(jié)構(gòu)圖。

產(chǎn)生壓縮空氣的源頭系統(tǒng),必須由空氣壓縮機、儲氣罐、干燥機、過濾器、輸氣管道、閥門等組成。這一連串系統(tǒng)的能效級別,當(dāng)采用活塞式空壓機時,總效率<60%;近年來持續(xù)被螺桿壓縮機與旋渦壓縮機所取代,氣源的產(chǎn)生能效可提高至80%左右。

空壓站系統(tǒng)所產(chǎn)生的壓縮空氣,通過輸送管路、閥門、彎頭等最終輸送至混合噴射頭的入口,此過程中壓縮空氣的總壓力損失很容易超過10%,如此進(jìn)一步折損了有效功率,能耗顯著提高。壓縮空氣在進(jìn)入混合噴嘴后,其能量必須在噴嘴中經(jīng)過的短暫期間,將壓縮空氣的動能傳遞給磨料顆粒,實現(xiàn)磨料由低速狀態(tài)瞬間提升至目標(biāo)速度(>50 m/s,最高可達(dá)200 m/s以上)。磨料顆粒的飛行速度越高,則能量轉(zhuǎn)化的效率越低,即使是當(dāng)前最為流行的文丘里式噴射管,其能量轉(zhuǎn)化效率也不會超過50%。

濕法噴砂工藝所使用的主要能介預(yù)測為:

(1) 壓縮空氣。壓力為0.35～0.8 MPa,單個噴嘴流量通常為1.0～1.5 m3/min。

(2) 非循環(huán)水。生產(chǎn)期間水為完全循環(huán)使用,但持續(xù)生產(chǎn)每6～10天后,需徹底更換1次水(污水外排或委外處理)。

(3) 磨料。每1～3個月更換1次磨料,確保磨料粒度與均勻性,部分企業(yè)正在研發(fā)持續(xù)補充式磨料系統(tǒng)。

(4) 為保障表面處理后的表面不會快速被氧化,水中需添加一定比例的添加劑。

這種文丘里式加速噴射方式,尤其是攜帶尖銳棱角的磨料顆粒(圖11),其打擊后的金屬表面很容易嵌入磨料顆?；虿糠智度?嵌入后的顆粒物不易脫落,影響后工序。

濕法噴砂工藝,因為其主要動力源為壓縮空氣,故氣源成本即電耗成本往往為第一成本,維持氣源的穩(wěn)定發(fā)生與輸送以及磨料介質(zhì)的穩(wěn)定輸送,是該項工藝的關(guān)鍵。

7 高壓純水射流除鱗

高壓純水射流工藝是利用高壓水作為動力且同時作為唯一的打擊介質(zhì),實現(xiàn)對金屬表面的連續(xù)高強度沖擊,達(dá)到表面附著物的清除。這種處理工藝,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)化清洗行業(yè),如鍋爐管的結(jié)垢清除、輸油管沉淀物的在線清除、涂漆金屬板的表面除漆等。

筆者在10年前利用純高壓水射流對金屬板帶進(jìn)行了手持式鱗皮清理試驗,具體參數(shù)及試驗結(jié)果如表2。

表2 除鱗試驗樣板的材料成分Table 2 Material compositions of descaling test sample

該試驗樣品取自寶鋼股份的2 030 mm產(chǎn)線剪切樣,為熱軋普通卷料。

具體試驗信息為:①采用三柱塞高壓泵加壓;②試驗壓力為200～220 MPa;③試驗方式為手持高壓槍試驗;④采用5噴頭氣動旋轉(zhuǎn)(4 000 r/min)。如圖12所示。

對除鱗后的樣板進(jìn)行微觀放大,并與未除鱗樣板進(jìn)行對比,如圖13、14所示。

采用高壓純水對鋼板進(jìn)行射流除鱗,利用200 MPa的水壓對未拉矯普碳鋼進(jìn)行連續(xù)沖洗,具有一定的鱗皮清除效果,但效率低下,速度較慢。如果將其應(yīng)用于冶金大生產(chǎn)的板卷除鱗,其成本一般企業(yè)難以承受。

8 結(jié)論

隨著社會需求的變化以及鋼材品種的日益革新,更新的除鱗工藝必然會層出不窮,但縱觀這十幾年來各新除鱗工藝的發(fā)展與工業(yè)化推廣的應(yīng)用實況,可得如下主要結(jié)論:

(1) 新型處理工藝比之酸洗,其環(huán)保性能均具有顯著的提升,雖然部分工藝仍然有污水排放、有粉塵,但相對于酸洗的酸霧、含酸廢水等,其環(huán)保性能顯著提升。

(2) 新型除鱗工藝,普遍效率不高,尤其在除鱗速度上,在保持Sa3.0的除鱗質(zhì)量時即使借助于輔助除鱗系統(tǒng),速度仍無法超越200 m/min。提高除鱗速度是當(dāng)前新除鱗工藝的研發(fā)重點與難點。

(3) 新工藝基于工藝原理的差異,其成品質(zhì)量差異明顯,部分工藝目前只能應(yīng)用于低端表面,但基于種類多樣的社會需求,新工藝必須依托經(jīng)濟、合理的商業(yè)化應(yīng)用加大推廣應(yīng)用力度,才能進(jìn)一步加快其技術(shù)成熟的進(jìn)度。