盧文豐

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201999)

0 前言

當前的鍍鋅、連退機組均在爐段前配置有清洗段，起到去除帶鋼表面鐵粉、油脂的目的。對防止污染爐輥和鋅鍋、減少輥子結瘤、減少鍍鋅缺陷都有重要意義。電解清洗能更快速、更徹底的清除化學、物理脫脂無法清除的孔隙深處的頑固附著油污，是核心的清洗設備。本文結合多條機組設計生產(chǎn)實踐，分析了電解設備在工藝參數(shù)選型、電解效率、清洗效果、爆鳴和帶鋼燒蝕、事故隱患等方面存在的問題，并提出改進措施。通過對工藝參數(shù)的合理選型，對電解槽設備電極板、絕緣板、抽風防爆、消泡、接地、電極板溫度監(jiān)控等方面的優(yōu)化設計，研制了新型的電解清洗設備并應用在寶鋼某鋼鐵基地最新投產(chǎn)的鍍鋅-連退兩用柔性機組，取得良好的使用效果。

1 電解原理和機組概況

寶鋼某鋼鐵基地的首條柔性生產(chǎn)鍍鋅-連退產(chǎn)品兩用機組，于2019年成功投產(chǎn)至今穩(wěn)定運行。根據(jù)產(chǎn)品特點，為保證清洗效果，將清洗段設備配置于入口活套后，電解清洗則位于堿噴淋、堿刷洗之后，帶鋼速度120 m/min。電解的機理是將帶鋼作為陰極或陽極時析出氫氣泡或氧氣泡，這些產(chǎn)生于帶鋼表面的大量微小氣泡對污染物產(chǎn)生撕裂作用，同時在清洗液的作用下，將附著于帶鋼表面的頑固污染物破壞清洗。本機組采用立式槽、中間導體法，即帶鋼不直接和電源相連接，電源是接在帶鋼入口部分和出口部分兩組電極板上。當入口部分的極板接陽極時，出口部分的極板接陰極，此時，電流從陽極經(jīng)過脫脂液到達帶鋼，通過帶鋼到達與出口部分極板相對應的位置，并從帶鋼又經(jīng)過電解液到達陰極。這樣，帶鋼通過同一個脫脂槽時，就經(jīng)歷了先陰極后陽極的兩個脫脂過程，在實際使用中，每使用幾個鋼卷以及焊縫進入時自動切換電極板極性，以保證清洗質量。電解原理和設備主要組成如圖1、圖2所示。

圖1 電解電流環(huán)路原理

圖2 電解清洗設備組成

2 電解工藝參數(shù)

2.1 電解液

電解液采用由氫氧化鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、碳酸鈉和表面活性劑組成的混合物，并通過專門管道添加消泡劑。氫氧化鈉為強電解質，有良好的導電能力，同時對帶鋼和電極板表面有鈍化作用，提高濃度可以加快除污速度，但從成本考慮不宜太高；如果濃度過低，碳鋼電極板活化，可能導致極板腐蝕損耗加劇。因此，在循環(huán)槽中設置電導率計對電解液濃度監(jiān)控，并設有原液、脫鹽水添加管路進行調配補充。在循環(huán)管路中串入磁性過濾器對電解液除鐵粉，同時對溶液的鐵離子濃度和油分濃度按每天2次的頻率進行取樣離線分析，保證電解液正常的濃度和清洗活性，防止出現(xiàn)失效。一般來說，電解液溫度高能提高溶液的導電能力，提高清洗效率，但過高也會加劇堿液的蒸發(fā)，增加泡沫的產(chǎn)生，因此將電解液溫度維持在70～80℃之間。電解液的主要成份為NaOH,NaOH濃度(2.0±0.5)%，鐵分濃度≤1×10-3,油分濃度≤2×10-3。

2.2 電流密度

電流密度的選擇直接影響清洗效果，這是因為氣泡的產(chǎn)生量與庫侖密度成正比, 庫侖密度與電流密度和時間成正比, 因此, 時間一定時, 清洗效果隨電流密度的增加而改善。根據(jù)電流強度的大小,分為低電流密度和高電流密度，本機組采用立式電解槽體且速度較低，綜合成本考慮，采用低電流密度，電解清洗的電流密度為6～13.5 C/dm2。操作人員根據(jù)帶寬和帶速，在HMI畫面設定整流器電流，整流器電流輸出同時也和機組速度做連鎖控制，當帶鋼速度小于15 m/min時，輸出停止。整流器電流設定和總容量選型一般按此經(jīng)驗公式(1)計算。

(1)

式中，Q為電解電流密度；VE為入口段速度；W為帶鋼寬度；A為電解電流放大系數(shù)，取1.0～1.15。

本機組依據(jù)工藝參數(shù)和公式，選定直流36V-6500A整流器兩套，經(jīng)投產(chǎn)后的現(xiàn)場使用情況反饋，冗余量和負載率合適，滿足生產(chǎn)需要。

2.3 電極板間距

電極板間距會影響電流值，減小極板間距可降低溶液電阻，減小電壓降，從而增大電流密度。但受帶鋼板型和張力影響，極板間距不能過小，否則會刮傷帶鋼，影響表面質量，甚至接觸極板而發(fā)生帶鋼燒蝕，嚴重則斷帶，綜合實際經(jīng)驗，按間距100 mm較為合理，既能保證正常情況下的帶鋼通行能力，又能保證良好的清洗效率。

3 電解設備的優(yōu)化設計

在生產(chǎn)實踐中，帶鋼在電解槽運行，會產(chǎn)生爆鳴和燒蝕，爆鳴原因是氫氣富集，帶鋼和電極板接觸產(chǎn)生電弧，引起電解出的氫氣爆鳴。燒蝕則是帶鋼與電極短接, 在局部高電流下帶鋼被燒蝕或帶鋼長時間電解發(fā)熱而焦灼。因此，本文采取措施優(yōu)化設計。

3.1 優(yōu)化清洗段帶鋼張力和糾偏設備

清洗區(qū)段的張力控制一直是重點之一，如果張力控制不好，極易造成帶鋼在槽內跑偏、斷帶，對電解槽安全生產(chǎn)危險較大。在設計時將清洗段布置在活套之后，減少頻繁升降速，改善張力環(huán)控制精度，將張力調節(jié)動態(tài)響應慢的影響降低。主令速度張力輥組布置在清洗段入口，將原布置在入口的張力計改到出口，利用出口張力輥組來實現(xiàn)清洗段穩(wěn)定的張力控制。糾偏輥設置在清洗出口，同時因帶鋼在槽內運行時存在較大的張力損失，對沉沒輥、轉向輥除了補償慣量和摩擦等損失外，還需要進行張力補償，避免全靠補償出口張力輥組，導致過載或失張的調控，從而引起槽內帶鋼跑偏。另外，當機組控制系統(tǒng)判斷失張時，除了傳動急停，電極板整流器輸出也將停止，避免帶鋼局部過熱燒蝕。

圖3 電解清洗段張力糾偏布置

3.2 增強帶鋼運行穩(wěn)定措施

轉向輥配置壓輥壓緊帶鋼，帶傳動設備，跟隨主線同步運轉，以減少帶鋼抖動，同時避免失張時帶鋼掉落接觸到電極板。轉向輥和壓輥包覆襯膠，帶鋼與輥子絕緣, 可以消除因板形不良產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象，沉沒輥輥面開溝槽凸輥，減少帶鋼的跑偏蹭邊并破壞襯膠層。

3.3 絕緣和接地輥配置

電解槽的絕緣和接地非常重要，且容易被忽視。設計改進了在銅排與極板連接處的導電性和緊固性措施，防止產(chǎn)生電弧，電極板接口處鍍銀處理。安裝時要求特別注意消除雜質和間隙，確保貼合緊密。由于槽體內的浮力和攪動，此處銅排與極板螺栓易松動，也需點檢員定期檢查。對槽體整體襯膠，防止電極和槽體出現(xiàn)意外擦碰，以及出現(xiàn)電流旁路損耗。槽體和安裝基礎間的緊固螺栓均帶絕緣套。在電解槽入口、出口的支撐輥采用金屬輥身，配有接地碳刷，可手動接通碳刷，避免緊急情況下帶鋼中局部電流過大。

3.4 中間絕緣板

一般認為，在電解槽中間部位即正負電極板之間設置絕緣板，會改變槽內電勢場的分布，從而改變電流方向，電流效率會提高。但是在工程實際應用中有諸多問題，絕緣板一般為聚氨酯材質，密度較輕，受浮力和帶鋼攪動影響，受材料本身影響固定方式不可靠，絕緣板掉落損壞時有發(fā)生，立式槽的布置也導致絕緣板沿長度方向極容易彎曲變形，因此根據(jù)現(xiàn)場的實際情況權衡對比，在本機組中取消了絕緣板。

3.5 實時抽風排放系統(tǒng)

槽體上方設計抽風口，并在電解液面以上設置噴梁，起到攪動消泡作業(yè)，持續(xù)抽風避免氫氣富集。工程實際中是利用機組清洗段配置的堿液洗滌塔及風機，在槽體上部設置抽風口進行抽排，風機的啟停與機組生產(chǎn)連鎖控制。要注意合理使用消泡措施和吸風口的位置，防止堿液泡沫被大量吸入管道。

3.6 電極板溫度在線實時監(jiān)控裝置

本機組中首次增加電極板母排溫度在線實時監(jiān)控裝置，測溫點設置在電極和母排接口處。其原理為非接觸式紅外檢測，考慮到現(xiàn)場的水蒸氣環(huán)境和堿液污染，采用高防護等級一體式帶輸出轉換的傳感器，將測溫信號顯示在現(xiàn)場及操作室HMI。根據(jù)以往的教訓，監(jiān)控電極板溫度并給操作人員提供報警信號，能很好的預防事故發(fā)生。按照調試結果，如果電解系統(tǒng)整體選型匹配合適，電流滿載運行時，母排接口處溫度不會高于某個值(約70～80 ℃，可在首次使用時調試確認)，操作人員后續(xù)使用時可以依此按實際的負載百分比，大致判斷電極的工作狀態(tài)，應用效果比較明顯。

4 結束語

雖然電解清洗技術較為成熟，但在以往使用過程中暴露的問題也不少，甚至有發(fā)生事故的風險。本文研制的某自主集成機組新型電解清洗設備綜合了多條生產(chǎn)線多年的使用經(jīng)驗，在本機組2019年投產(chǎn)后，現(xiàn)場生產(chǎn)使用效果較好，對其他鋼廠選擇電解清洗工藝和設備有一定參考作用。