鋁板帶堿清洗機(jī)組設(shè)備配置及技術(shù)難點分析

竇忠友

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

鋁板帶材經(jīng)過軋制后殘留的鋁粉、軋制油等雜質(zhì)嚴(yán)重影響帶材表面質(zhì)量，需要進(jìn)行清洗后才能滿足下游廠家的生產(chǎn)要求，因此鋁板帶材清洗機(jī)組是生產(chǎn)高表面質(zhì)量鋁合金板帶材的核心裝備。傳統(tǒng)的油清洗、高壓水清洗機(jī)組生產(chǎn)出的帶材表面殘油量、鋁粉遺留量較高，已不能滿足高端產(chǎn)品需求。堿清洗有著良好的清洗效果，隨著堿清洗技術(shù)的發(fā)展成熟，受到各鋁加工企業(yè)的歡迎，或?qū)⒃瓩C(jī)組上的水清洗、油清洗改造為堿清洗，以達(dá)到提高清洗質(zhì)量的目的。目前堿清洗主要用于生產(chǎn)CTP鋁版基、汽車板、高端電子箔、藥箔等。

1 堿清洗的原理

堿清洗的清洗原理是通過堿性的水基清洗劑和帶材表面殘留的油污發(fā)生皂化反應(yīng)達(dá)到除油效果，同時該清洗劑也和帶材表面的鋁粉、氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)除去鋁粉。

(1)油脂+堿(OH+)→ 高級脂肪酸鈉+甘油，具體化學(xué)反應(yīng)方程式為：

(2)鋁粉、氧化膜和堿(OH+)的化學(xué)方程式為:

Al+NaOH+H2O=NaAlO2+H2↑

Al2O3+2NaOH=2NaAlO2+H2O

通過上述化學(xué)反應(yīng)，堿清洗后的鋁帶材表面殘留物可小于5mg/m2(單面)，灰度值可達(dá)到Ⅰ級，清洗效果顯著好于常規(guī)水清洗和油清洗。

2 堿清洗機(jī)組的設(shè)備配置

堿清洗機(jī)組根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品工藝參數(shù)要求不同，總體設(shè)備配置有多種布置方案。堿清洗也可單獨作為一個功能單元布置在拉彎矯直機(jī)、連退線等機(jī)組內(nèi)。堿清洗生產(chǎn)線按機(jī)組功能可簡單劃分為入口段部分、堿清洗工藝段和出口段部分。

2.1 入口段部分

該部分的功能主要包含開卷送料，處理料頭料尾，縫合連接帶材以及切邊等。其主要工藝流程為，上卷→開卷→去除不符合要求料頭、料尾→縫合→切邊。

入口段部分的主要設(shè)備組成為，上卷小車及儲料臺、卸套筒裝置、開卷機(jī)、對中裝置、入口夾送偏導(dǎo)剪切裝置、縫合機(jī)、月牙剪、圓盤剪、碎邊機(jī)、碎邊運輸裝置以及附屬設(shè)備。其中一些設(shè)備可根據(jù)生產(chǎn)來料狀態(tài)或產(chǎn)品需求進(jìn)行選擇性配置。如來料厚度在0.5mm以下，料頭連接可使用粘接方式代替縫合機(jī)；如來料帶材邊部齊整，且寬度符合工藝要求，則不必配備月牙剪、圓盤剪及碎邊機(jī)等設(shè)備。

2.2 堿清洗工藝段

堿清洗段是機(jī)組核心功能段，其功能是通過清洗后獲得表面清潔、干燥且無清洗缺陷的帶材，堿清洗簡易工藝原理流程如圖1所示。

圖1 堿清洗段工藝處理流程Fig.1 Process flow of alkali cleaning section

2.2.1 堿清洗段設(shè)備配置

根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品工藝的要求，堿清洗段具體配置略有不同，如產(chǎn)品為中間道次非成品清洗，可配置一段堿清洗。如對清洗質(zhì)量要求較高，可配置兩段堿清洗，兩段堿清洗中間使用擠干輥隔開，防止第一段較臟的堿液過多的進(jìn)入第二段堿清洗。第二段堿清洗出口一般配置雙擠干輥裝置，也可在雙擠干輥中間增加一組純水噴淋，或者設(shè)置一組吹掃裝置，盡量減少堿液進(jìn)入后續(xù)的漂清洗段。漂清洗段通常配置二級漂洗，也可配置三級漂洗，最后一段采用純清水(去離子水)對帶材進(jìn)行漂洗，以便更好的除去帶材表面殘留的雜質(zhì)。每段漂清洗之間用擠干輥隔斷，防止上一級較臟的水進(jìn)入下一級。最后的漂洗段出口采用雙擠干輥組擠除帶材表面的大量水分，并在兩組擠干輥之間、箱體出口設(shè)置吹掃裝置，吹除帶材邊部殘留的水分。漂洗段出口配置烘干單元，除去帶材表面的水膜，獲得表面干燥清潔的帶材。如產(chǎn)品工藝希望獲得較低的帶材溫度，可以在烘干單元出口增加冷卻單元，以降低帶材溫度。一般堿清洗段的設(shè)備配置如圖2所示。

1-1#堿清洗段；2-2#堿清洗段；3-1#漂洗段；4-2#漂洗段；5-烘干單元；6-冷卻單元；7-1#堿清洗段線外箱；8-2#堿清洗段線外箱；9-1#漂洗段線外箱；10-2#漂洗段線外箱；11-儲水箱；12-堿液原液箱；13-堿霧處理裝置圖2 堿清洗段設(shè)備組成Fig.2 Equipment composition of alkali cleaning section

2.2.2 堿清洗方式

堿清洗清洗方式多采用噴射方式，也可采用浸泡方式。噴射方式是通過供液泵將堿液噴射打擊帶材表面，清洗效果較好；浸泡方式一般適用于運行速度較慢機(jī)組，浸泡方式的優(yōu)點在于帶材表面清洗質(zhì)量較為均勻。堿清洗噴射方式設(shè)備布置有水平式和立式，水平式結(jié)構(gòu)適用于較厚帶材，也是目前使用最多的布置方式。立式布置方式適用于高速運行的薄帶材機(jī)組，立式布置可以節(jié)約空間、減少帶材表面殘留的清洗液、便于烘干，更適應(yīng)帶材高速運行的工況。

2.2.3 堿清洗工藝參數(shù)

(1)堿洗段的反應(yīng)時間。堿洗段的反應(yīng)時間是堿清洗的核心參數(shù)之一，直接決定堿清洗段設(shè)備長度的設(shè)計。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗、清洗堿液供應(yīng)商和鋁板帶的生產(chǎn)工藝綜合需求，目前堿清洗的反應(yīng)時間為2s～4s(噴淋形式)，如采用浸泡形式，反應(yīng)時間一般為8s～10s，漂洗段沖洗帶材的時間通常是堿清洗反應(yīng)時間的一半。

(2)堿清洗的工藝速度。堿清洗段的運行速度由機(jī)組生產(chǎn)產(chǎn)能以及帶材邊部吹掃、烘干能力決定。目前常規(guī)堿清洗機(jī)組運行速度為200m/min左右，是因為堿清洗后烘干能力限制，當(dāng)機(jī)組運行速度過高時，常規(guī)配置的帶材邊部吹掃和烘干單元不能將帶材表面殘留的水清除干凈，容易在帶材表面形成水痕缺陷。如想得到更高的運行速度，則需加強(qiáng)帶材邊部吹掃、烘干設(shè)備能力，這樣設(shè)備總體投資成本會有所增加。

(3)噴射方式堿清洗循環(huán)系統(tǒng)泵流量的確定。目前堿清洗段循環(huán)泵流量一般采用下式計算：Q=W×V×60×d×2；式中，Q為泵的流量，m3/h；W為帶材寬度，m；V為機(jī)組運行速度，m/min；d為帶材上水膜的平均厚度(d值一般取1.5m～2.0mm)，m。

上述計算結(jié)果之外，設(shè)計時還需考慮噴射梁噴嘴的布置數(shù)量，泵的流量要大于所有噴嘴處于工作壓力時總流量的1.2倍左右，才可以確保所有噴射梁能均勻穩(wěn)定的流量。

(4)堿洗段的循環(huán)系統(tǒng)。首先，清洗系統(tǒng)的加熱方式常采用電加熱和蒸汽加熱，對于溫度控制精度來說，電加熱方式優(yōu)于蒸汽加熱，但電加熱的裝機(jī)容量大，運行成本較高，設(shè)備投資成本也略高于蒸汽加熱方式。其次，堿清洗段循環(huán)系統(tǒng)需增加過濾裝置，目前常規(guī)采用一工一備的袋式過濾機(jī)，布置在加熱器之前，其作用是過濾掉系統(tǒng)內(nèi)的較大雜物，避免或減少噴嘴堵塞及加熱器內(nèi)部結(jié)垢。最后，堿洗段的循環(huán)管路上目前配置堿液濃度檢測裝置、管道流量計、噴射壓力檢測器，以確保堿清洗段的堿液濃度、流量和工作壓力穩(wěn)定，保持在設(shè)定目標(biāo)范圍之內(nèi)，獲得良好的清洗效果。

(5)輔助設(shè)備。堿清段的輔助設(shè)備主要由堿霧、水霧處理裝置和廢水環(huán)保處理裝置。在堿清洗過程中，由于堿液、漂洗清水需要加熱到60℃～80℃，工作時會產(chǎn)生一定量的堿霧、水蒸氣，特別是采用噴射清洗方式時，更容易產(chǎn)生堿霧或水霧。如不采取應(yīng)對措施，這些堿性水汽會擴(kuò)散到車間內(nèi)，會對操作工健康產(chǎn)生影響并腐蝕周邊的設(shè)備及廠房鋼結(jié)構(gòu)。為解決這個問題，在設(shè)計堿清洗段時，必須考慮線內(nèi)箱、線外箱的密封性，配置堿霧抽吸處理裝置，確保所有箱體內(nèi)形成負(fù)壓，同時還需清除水汽中堿性物質(zhì)的含量，使排放到大氣內(nèi)的水霧符合國家環(huán)保的要求。

堿霧、水蒸氣處理裝置，其主要原理是使用風(fēng)機(jī)將水箱內(nèi)的堿霧、水汽抽入吸收噴淋塔，吸收塔內(nèi)從上往下循環(huán)噴淋含弱酸性水，使水霧中的堿和酸發(fā)生中和反應(yīng)，從而消除水汽中含有的堿，使排放到環(huán)境中的廢氣符合國家環(huán)保要求。還有一種處理方式，是抽吸風(fēng)機(jī)將堿霧、水汽抽入冷凝箱內(nèi)，低溫讓廢氣中的堿霧、水汽凝結(jié)成水滴，從而達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

堿清洗段正常運行時，為保障堿清洗系統(tǒng)正常運行和系統(tǒng)水平衡，堿清洗段線外箱、漂洗段線外箱均需排放一定量的廢水，廢水中含有少量的堿性物質(zhì)以及清洗產(chǎn)生的雜物，該廢水不能直接排放到城市污水管道內(nèi)，需經(jīng)過除廢處理后，才能正常排放。常規(guī)堿清洗產(chǎn)生的廢水量約1t/h ～3t/h，廢水首先排送到廠區(qū)工業(yè)用水處理站進(jìn)行處理。也可在機(jī)組附近設(shè)置廢水坑，配置廢水中和系統(tǒng)，先將廢水的pH值中和至6～9，鋁粉、鋁灰沉淀后，再進(jìn)行正常排放。

2.3 出口段部分

該部分主要功能是分?jǐn)鄮Р摹⒕砣?、卸?主要設(shè)備有，夾送剪切裝置、糾偏裝置、出口偏導(dǎo)送料裝置、卷取機(jī)、助卷器、卸卷小車及儲料臺和上套筒裝置。機(jī)組如生產(chǎn)較薄帶材(厚度小于0.5mm)時，可人工助卷，也可人工上紙?zhí)淄病A清洗后帶材表面清潔度高，帶材易起皺，因此需配熨平輥裝置，來解決這個問題。出口段的基本工藝流程如圖3所示。

圖3 出口段部分工藝流程Fig.3 Process flow of exit section

3 堿清洗機(jī)組技術(shù)難點及應(yīng)對措施

堿清洗機(jī)組和傳統(tǒng)高壓水清洗、油清洗機(jī)組相比有著明顯優(yōu)勢，其技術(shù)隨著應(yīng)用推廣也越來越成熟，筆者有幸參與過堿清洗機(jī)組的設(shè)計、制造(過程跟蹤)、調(diào)試以及生產(chǎn)跟蹤，粗略總結(jié)了目前堿清洗機(jī)組存在的技術(shù)難點，也根據(jù)個人經(jīng)驗提出了相應(yīng)的解決方案及措施。

3.1 帶材表面清洗不均勻

造成帶材清洗不均勻的原因主要由以下兩個因素。(1)來料帶材板型不好，如果較厚帶材來料板型有橫彎狀態(tài)，在帶材清洗時，兩側(cè)的帶材和中部的帶材清洗時受到噴射壓力不同，清洗效果就不同，而且由于板型問題會造成清洗液噴射到帶材表面后分布不均，從而造成清洗不均勻問題。因此想解決這問題，堿清洗來料需要較好的帶材板型，來料板型一般不大于50I。(2)來料兩側(cè)邊部殘留軋制油過多。帶材在軋制過程中，軋制油會順軋輥被趕到帶材兩側(cè)，噴淋的軋制油也會順著軋輥兩側(cè)的輥縫殘留在帶材兩側(cè)，即使在帶材出口布置防濺板吹掃裝置，帶材兩側(cè)殘留的軋制油也會明顯高于帶材中部。由于上述原因，當(dāng)帶材進(jìn)入堿清洗時，帶材中間清洗的清潔度會高于帶材兩側(cè)，如來料帶材兩側(cè)殘油明顯高于中部時，帶材兩側(cè)和帶材中部就會有明顯的色差，影響整體清洗質(zhì)量的均勻性。該難題可通過兩個應(yīng)對措施解決，一是提高軋機(jī)的防濺板吹掃效果，使來料帶材表面含油量盡量均勻；二是在設(shè)計堿清洗機(jī)組布置噴嘴時，帶材兩側(cè)噴嘴流量具備可調(diào)功能，當(dāng)出現(xiàn)帶材邊部清洗效果不佳時，可增加邊部的噴射流量，以增強(qiáng)帶材兩側(cè)邊部的清洗效果，提高邊部清洗能力。

3.2 帶材清洗成品率低于水清洗和油清洗問題

在機(jī)組停機(jī)換卷時，由于箱體設(shè)計結(jié)構(gòu)等原因，噴淋箱體上箱壁、噴淋管內(nèi)殘留的堿清洗液會凝聚成滴，停機(jī)時會落在帶材表面上(正常生產(chǎn)時滴液不影響產(chǎn)品質(zhì)量)，會造成堿清洗段帶材表面過腐蝕，從嚴(yán)格意義上定義，停留在堿清洗段部分帶材由于滴液腐蝕，屬于不合格品。這樣如果堿清段長度固定不變，帶材越厚，其成品率就越低，相對傳統(tǒng)水清洗和油清洗，其成品率約降低2%～5%。因此解決因停機(jī)滴液造成過腐蝕問題在堿清洗機(jī)組非常重要。解決該問題有如下應(yīng)對措施：(1)在機(jī)組內(nèi)增加出入口活套裝置，這樣可以保障帶材在堿清洗工藝段按照清洗工藝要求速度勻速運行不停機(jī)，使堿清洗段穩(wěn)定運行，該措施可以從根本上解決因停機(jī)造成成品率低的問題，但由于增加活套裝置以及相關(guān)設(shè)備，其機(jī)組成本會增加較多，不利于大范圍推廣；(2)在機(jī)組堿清洗段噴淋管路上增加旁路及電磁閥接入去離子水或壓縮空氣，生產(chǎn)過程中如臨時停機(jī)，可將堿清洗段噴淋管切換到去離子水或壓縮空氣管路吹除噴淋管內(nèi)的堿液，這樣可以解決因噴淋管滴落堿液的問題。另外箱體上箱蓋設(shè)計成中凸結(jié)構(gòu)，使內(nèi)壁凝結(jié)的堿液分流到箱體兩側(cè)，這兩個措施一起實施，可以有效解決停機(jī)滴液的問題。

3.3 堿清洗箱體及管道內(nèi)壁易結(jié)垢，噴嘴易堵塞問題

3.4 卷取時帶材中部起褶皺，表面擦劃傷問題

帶材經(jīng)過堿清洗后，表面含油量小于5mg/m2(單面)，帶材表面幾乎是純鋁合金金屬原始狀態(tài)，卷取后帶材層與層之間沒有油膜保護(hù)，表面輕微的滑動就會更容易造成擦劃點。如清洗的是薄、寬鋁合金帶材，來料帶材板型出現(xiàn)中浪時，在卷取時還會出現(xiàn)中間起褶皺現(xiàn)象，該現(xiàn)象常出現(xiàn)在1xxx、3xxx以及復(fù)合帶材鋁合金生產(chǎn)時。為解決上述兩個問題，首先可以在卷取時對帶材進(jìn)行熨平，即配置熨平輥裝置，熨平輥采用包膠輥，輥子壓靠在帶材與卷材的切點處，可以很好的防止帶材擦劃傷和起褶皺；同時卷取機(jī)卷軸的跳動值也需在精度要求范圍之內(nèi)，還需電氣控制確保卷取張力穩(wěn)定，其在穩(wěn)定階段的波動范圍應(yīng)小于3%。因此該問題屬于綜合性問題，屬堿清洗易出現(xiàn)并不易解決的問題。

3.5 堿清洗機(jī)組電氣控制問題

由于堿清洗工藝的要求，堿清洗各段需布置一組或兩組擠干輥進(jìn)行隔斷，機(jī)組內(nèi)擠干輥數(shù)量一般為6～10組，因此堿清洗機(jī)組的電氣控制明顯不同于常規(guī)高壓水清洗和油清洗機(jī)組。增加的擠干輥數(shù)量較多，電氣控制較為復(fù)雜，由于堿液和油污的皂化反應(yīng)，使帶材與擠干輥之間的摩擦系數(shù)大幅降低，在調(diào)試空載階段的傳動補(bǔ)償和正常工作時實際的傳動補(bǔ)償存在一定差別。因此在堿清洗運行時，生產(chǎn)較薄帶材時，在擠干輥之間極易造成帶材起褶皺，甚至帶材跑偏等問題。

應(yīng)對上述問題的主要措施是電氣前期調(diào)試時，每個擠干輥的傳動測試要盡量精確，空補(bǔ)和動補(bǔ)的精度誤差控制在3%之內(nèi)，特別是堿清洗段的各組擠干輥，同時在試運行期間還要根據(jù)生產(chǎn)實際情況進(jìn)行控制優(yōu)化，才能解決堿清洗段帶材起褶皺、跑偏現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

根據(jù)目前鋁加工的發(fā)展趨勢，鋁合金生產(chǎn)廠家對帶材表面質(zhì)量要求越來越高，堿清洗機(jī)組具有良好的清洗質(zhì)量優(yōu)勢，有著良好的市場前景。