電解清洗裝置的改進和優(yōu)化

海本增

(中冶南方工程技術有限公司)

0 前言

電解清洗是廣泛采用的去除帶鋼表面污物的有效方法，但是傳統(tǒng)的電解槽普遍存在著膠板使用壽命短、維護工作量大、維護費用高、氫氣爆鳴事故頻發(fā)等現(xiàn)象，如何對其優(yōu)化和改進，是冷軋生產(chǎn)技術長期以來致力發(fā)展的重要課題之一。

冷軋帶鋼在軋制過程中，表面會殘存大量的油脂和鐵粉，有時油脂和鐵粉的單面含量甚至都會高達300 mg/m2。對于連續(xù)退火線、鍍鋅線來說，如果在進入爐子之前不對鐵粉和油脂進行有效去除，不僅會污染設備，造成輥子打滑，影響機組正常運行，而且還會嚴重影響帶鋼表面質量，據(jù)統(tǒng)計，由于脫脂除油不徹底而導致鍍層不良的比例一般占60% ～80%［1］。

傳統(tǒng)化學清洗或物理刷洗往往只能清除帶鋼表面的油污，而不能清除凹點處油污，電解清洗則能在帶鋼平面和凹點深處產(chǎn)生氣泡把油污帶走［2］，大大提高帶鋼的清洗效果。

1 電解清洗的主要原理

帶鋼進入極板之間的電場時，其前后表面會感應出電荷，在電解過程中帶鋼作為電極，在其表面發(fā)生電解反應，產(chǎn)生的細小起泡可將其表面的油脂和鐵粉剝離。也就是說電解清洗綜合利用了脫脂劑與帶鋼之間的皂化、乳化反應以及電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣的剝離作用，使帶鋼表面附著的油脂、鐵粉等雜質脫離帶鋼而使其得到凈化。在整個過程中脫脂劑主要起到兩個作用：

1)與油脂起反應，生成溶于水的脂肪酸鈉和甘油，化學反應式如下：

2)在電解過程中起到導電介質的作用，電解清洗的過程其實就是電解水：

當帶鋼作為陰極時，其表面上進行還原過程，析出氫氣，化學反應式為：

當帶鋼作為陽極時，其表面上進行氧化過程，析出氧氣，化學反應式為：

典型的立式電解清洗裝置如圖1所示。

2 傳統(tǒng)電解槽存在的問題

圖1 立式電解槽結構示意圖

目前國內大多數(shù)生產(chǎn)線的電解槽均采用碳鋼或不銹鋼襯膠的結構，普遍存在著電解槽內襯膠層的使用壽命短(槽體內部的襯膠層大多在1年左右)、電解槽內頻繁出現(xiàn)氫氣爆鳴，甚至出現(xiàn)了電解槽起火爆炸的事故，不僅影響了機組的正常生產(chǎn)，而且給后續(xù)的維護工作帶來極大的不便。尤其是對于立式電極槽內的襯膠而言，如果將其運送至制造廠襯膠，雖然可以保證襯膠的質量，但是需要拆除大量的設備，而且考慮到設備回裝及相關的運輸時間，其檢修周期至少需要1個月左右;如果選擇現(xiàn)場襯膠，雖然少了設備拆裝和運輸工作量，但是其襯膠質量無法保證，而且由于其內部空間狹小，現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境極其惡劣。圖2和圖3為某施工現(xiàn)場因為操作不當導致極板發(fā)熱而最終引發(fā)槽內膠版發(fā)熱而最終引發(fā)了起火事故的狀況。

圖2 事故后的電解槽

圖3 事故后的輥子

此次事故雖然沒有造成人員傷亡，但是后續(xù)的修復時間長達1個多月，而且費用高達近百萬。此外，在電解過程中會產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，如果不將其及時排出，如果氫氣濃度在槽內富集，將會出現(xiàn)頻繁的爆鳴現(xiàn)象，對生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。

3 改進和優(yōu)化

3.1 槽體及極板材質優(yōu)化

傳統(tǒng)電解槽通常采用碳鋼襯膠的結構，襯膠的主要目的是保護槽體免受電解腐蝕，以及槽體的絕緣。正常情況下，普通碳鋼是可以經(jīng)受住堿液的腐蝕的，但是在槽內發(fā)生電解反應時，其耐腐蝕能力將會大大降低，對于襯膠層來說也面臨著同樣的問題。正常情況下，選擇的膠板對堿液的耐腐蝕性都是足夠的，在沒有電解反應時，可以用10～15年甚至更長(一般情況下，選擇的膠板對介質的耐腐蝕性能為優(yōu)良，即膠板的腐蝕速度小于0.05 mm/年，而膠板的厚度為5 mm～6 mm，即使考慮到膠板老化因素的影響，上述年限也已經(jīng)非常保守)。但是在電解的情況下，其壽命就劇烈降低至1年，其主要原因就是受到了強烈的電解腐蝕：其一是在電解過程中產(chǎn)生了大量的氧氣，使電解液中的含氧量大幅升高，膠板在富氧的條件下因氧化而老化;其二是極板在與整流器的正極連接時，在電化學上被稱為陽極，陽極因缺少電子而具有很強的氧化性，對附近的膠板會產(chǎn)生很強的氧化與“腐蝕”作用。在上述兩種作用的共同影響下，膠板的壽命大幅下降。鑒于上述的電解槽槽體襯膠層壽命短、維護工作量巨大的現(xiàn)狀，在設計時采用不銹鋼的槽體并對極板遠離帶鋼的一面做襯膠處理(如圖4所示)。這種情況下，如果極板的襯膠層受到破壞，只需要對極板進行整體更換即可，維護工作量、時間和費用可以大大減少。此種設計已經(jīng)在國內已有18條生產(chǎn)線上得到實踐，比如首鋼的4條鍍鋅生產(chǎn)線均的電解槽采用的不銹鋼槽體(不襯膠)，極板采用單面襯膠，自2010年投產(chǎn)以來，維護工作量和費用較以往的電解槽大為減少，使用情況非常理想。

圖4 極板襯膠示意圖

3.2 增加鼓風風機

在電解清洗過程中會產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣，而氫氣的爆炸極限很寬，為4% ～74.2%，也就是說，當空氣中氫氣的含量在爆炸極限范圍內時，遇到明火就會發(fā)生爆炸。為保證安全，一般的電解槽均設置了廢氣排放風機，源源不斷地將電解槽內產(chǎn)生的氫氣、氧氣及電解液蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣抽出，但是如果排放風機的風量不足或者抽風口位置設置不當，槽內的氫氣因不能及時地排出而在局部富集，很容易產(chǎn)生叫爆鳴，對人身和設備安全帶來隱患。在設置電解槽的抽風口時需要特別注意，由于氫氣的密度僅為 0.0899 kg/m3，遠遠小于空氣的密度1.29 kg/m3，氫氣溢出后在電解槽的上部富集，抽風口也應該設置在槽體的頂部。此外，電解槽需要設置稀釋氫氣含量的鼓風機，及時地向電解槽內補充新鮮空氣，稀釋槽內氫氣的濃度，防止因氫氣的局部富集而產(chǎn)生爆鳴。武鋼冷軋廠鍍鋅線的電解槽設置了1臺風量為300 Nm3/h的鼓新風的風機，有效解決了槽內發(fā)生爆鳴的現(xiàn)象。

3.3 整流器供電限制

前面所述事故發(fā)生的原因，除了操作工的誤操作之外，整流器供電的控制策略不夠安全也是一個重要原因之一，即電解槽內沒有液體的情況下，整流器被允許供電，而導致極板發(fā)熱，最后引起槽內膠板起火。如果對其供電條件作足夠的限制，此類事故時完全可以避免的。此外，在整流器供電之前，排霧風機和鼓新風風機必須啟動且運行正常，避免氫氣在槽內富集。電解液供料泵沒有正常工作，電解槽內的電解液得不到更新，將會影響清洗效果。此外，帶鋼沒有運行，電解槽沒有工作的必要。總的來說，只有在下列條件滿足之后，才能對整流器供電：

1)排霧風機和鼓風風機運行正常;

2)電解槽內液位正常;

3)電解液供料泵運行正常;

4)帶鋼的速度不為0。

此外，鑒于氫氣的爆炸極限很寬，為安全起見，當整條生產(chǎn)線停車后，排霧風機應延遲運行1 h～2 h，以便將槽內殘存的氫氣排出。

4 效果分析

采用不銹鋼電解槽以及單面襯膠的做法可以大大減少設備的維護工作量和和費用，只需要對極板進行更換即可，其它部分基本上為"零維護";電解槽設置鼓風風機有效解決了電解槽內氫氣頻繁發(fā)生爆鳴的問題，消除了生產(chǎn)過程中存在的安全隱患;對電解槽供電條件的限制，可以保證機組的安全并節(jié)省能源。在實際的工程項目中，上述優(yōu)化措施均得到了很好的驗證。

5 結語

改進后的電解槽達到了預期的目的，大幅降低了設備運行和維護成本，具有較強的推廣價值。

［1］ 黃宇，李棟.鍍鋅線清洗系統(tǒng)的維護.冶金設備，2009(特刊)：95-96.

［2］ 薄煒，張愛華.冷軋帶鋼電解堿洗技術.梅山科技，2009(3)：27-29.