環(huán)保型鋼管自動酸洗線成套技術(shù)及裝備開發(fā)

陳曉丹，鄧毅敏

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

環(huán)保型鋼管自動酸洗線成套技術(shù)及裝備開發(fā)

陳曉丹，鄧毅敏

（寶山鋼鐵股份有限公司鋼管條鋼事業(yè)部，上海 201900）

針對鋼管原酸洗線人工操作多、作業(yè)環(huán)境惡劣、酸洗質(zhì)量難以控制的問題，開發(fā)了一種自動酸洗線成套技術(shù)及裝備。介紹了自動酸洗線中酸洗運輸車、紊流式酸洗槽和夾套式磷化槽等主要技術(shù)裝備的功能特點及控制方式；詳細介紹了生產(chǎn)自動化技術(shù)體現(xiàn)的4個方面，生產(chǎn)物流自動化，流體系統(tǒng)配液、補液自動化，酸液循環(huán)過濾加熱自動化和物流信息自動化。該自動酸洗線具有清潔生產(chǎn)、節(jié)省能源、降低廢棄物排放、減少環(huán)境污染、降低勞動強度等優(yōu)點，可推廣使用。

精密鋼管；自動酸洗線；開發(fā)；磷化；節(jié)能；環(huán)保

精密鋼管主要用于機械制造行業(yè)，其具有不需要經(jīng)過車、磨（精磨、珩磨、拋光）、熱處理與矯直即可滿足尺寸精度要求的優(yōu)點［1-3］。在精密鋼管的生產(chǎn)工序中，酸洗是不可缺少的重要工序，主要工藝過程有酸洗、磷化、皂化等［4-6］。國內(nèi)不少鋼管生產(chǎn)企業(yè)采用的傳統(tǒng)工藝方式，存在人工工作環(huán)境差、勞動強度大、能源消耗量大、廢液排放量大、酸霧無治理等諸多問題。

寶山鋼鐵股份有限公司（簡稱寶鋼股份）精密鋼管廠自動酸洗線是國內(nèi)第一條鋼管自動酸洗線，依托載體工程，實現(xiàn)了不同產(chǎn)品規(guī)格、不同材質(zhì)、不同工藝下的混流生產(chǎn)要求，實現(xiàn)了在線自動配液補液功能、廢氣接近零排放，改善了生產(chǎn)環(huán)境。

1　開發(fā)背景

寶鋼股份精密鋼管廠原酸洗線存在以下問題。（1）人工操作多。酸洗線的每個工位上下料都是由工人站在強酸槽邊拆掛吊繩，操作非常危險。鋼管在運輸過程中，管捆擺動大，偶爾發(fā)生管捆撞擊槽體并致壞現(xiàn)象。并且在配液和補液過程中，酸液配比準確性不高，過程得不到有效控制。

（2）作業(yè)環(huán)境惡劣。酸洗車間各種槽體為開口式的，酸洗槽內(nèi)酸液采用蒸汽直接加熱至50℃左右，在內(nèi)外溫差和濕度較大時，空氣對流強度大，酸霧揮發(fā)嚴重，而車間內(nèi)沒有酸霧處理設(shè)施，酸霧任意排放，嚴重污染環(huán)境［7］；濃度為98%的H2SO4由工人倒進酸洗槽內(nèi)，伴隨酸液濺出，非常危險。

（3）酸洗鋼管質(zhì)量難以控制。人工配液補液，濃度難以有效控制。酸洗時靜態(tài)浸泡成捆鋼管，鋼管之間擠壓在一起，鋼管表面特別是鋼管內(nèi)表面很難被酸洗干凈，直接影響后道工序加工質(zhì)量。

國內(nèi)大多數(shù)鋼管企業(yè)的酸洗車間基本采用上述方式生產(chǎn)，不過，近幾年也有一些廠家進行了改造，引進了新技術(shù)、新工藝。如寶山鋼鐵股份有限公司特殊鋼分公司（簡稱寶鋼特鋼）擠壓管酸洗車間引進德國技術(shù)，酸洗槽體改成PPH（聚丙烯）材料［8］，采用了酸霧處理設(shè)備等，環(huán)境得到較好改善，但還沒有實現(xiàn)全線自動生產(chǎn)，仍屬人工操作生產(chǎn)。

國外技術(shù)雖然采用了一些新技術(shù)、新工藝，但還存在諸多不完善和缺陷，比如：采用多種工藝混流自動化生產(chǎn)技術(shù)時，國外酸洗線生產(chǎn)工藝相對單一，滿足不了精密鋼管多規(guī)格、多品種、多鋼種、小批量的多生產(chǎn)工藝要求。

國內(nèi)有槽罐制造企業(yè)提供的酸洗線，但由于相關(guān)專業(yè)（工藝、流體、控制、設(shè)備設(shè)計等）配套不全，總體技術(shù)水平不高。

鑒于以上因素，有必要對鋼管自動酸洗線成套技術(shù)裝備進行開發(fā)。

2　關(guān)鍵技術(shù)裝備的開發(fā)

2.1酸洗運輸車

酸洗運輸車是酸洗鋼管生產(chǎn)線最關(guān)鍵、控制最復雜、難度最大的設(shè)備。酸洗運輸車主要工作流程是從上料工位取料開始，按照設(shè)定的生產(chǎn)工藝完成各工位間的鋼管自動輸送，直至下料工位。酸洗運輸車包括大車行走機構(gòu)、剛性提升機構(gòu)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等。每臺酸洗運輸車都配有2套剛性提升機構(gòu)，每套剛性提升機構(gòu)有獨立傳動和控制設(shè)備，可實現(xiàn)鋼管不同傾角倒液。酸洗運輸車三維模型如圖1所示。

圖1　酸洗運輸車三維模型示意

2.2運輸車自動精確定位

在運輸車的軌道上使用條形碼，組成連續(xù)的條形碼帶。由于每個條形碼是唯一的，使得軌道的每個位置的數(shù)據(jù)也是唯一的，以此確定軌道的物理位置。將條形碼的讀取器（讀碼器）固定在運輸車上，當運輸車移動時，讀碼器讀取所經(jīng)過的條形碼，將數(shù)據(jù)傳送到運輸車PLC，再由運輸車PLC傳送到主PLC，這樣主PLC和運輸車PLC都能隨時掌握運輸車所在位置，從而可控制運輸車的運行及定位。

酸洗運輸車精確定位原理如圖2所示。

圖2　酸洗運輸車精確定位原理

2.3紊流式酸洗槽

為了提高鋼管酸洗質(zhì)量并減少酸洗時間，研制出了一種紊流式酸洗槽。槽外過濾加熱循環(huán)的酸液通過槽體底部兩側(cè)間隔交錯分布的噴嘴噴射到槽內(nèi)，使酸液在酸洗槽內(nèi)形成強烈的有序和無序的紊流，同時槽體底部的淤泥和沉淀物被充分激起，還有部分酸液通過中間進口進入酸洗槽內(nèi)，將整槽酸液向出口方向推動，槽體內(nèi)部的淤泥和沉淀物從酸液出口帶出，在槽外過濾，使槽內(nèi)酸液清潔，延長了酸洗槽清理周期；避免了沉淀物與酸液反應(yīng)，減少了酸液消耗；槽內(nèi)的酸液形成強烈的紊流，使金屬材料表面得到強烈沖刷，縮短了酸洗時間，提高了機組產(chǎn)能。

紊流式酸洗槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　紊流式酸洗槽結(jié)構(gòu)示意

2.4梯流式酸洗系統(tǒng)

為了滿足一定產(chǎn)能，酸洗線一般配置多個酸洗槽，每個酸洗槽配有獨立的過濾加熱循環(huán)系統(tǒng)，各酸洗槽之間溢流管道連通，溢流口高度有區(qū)別，前面酸洗槽溢流口低，后面酸洗槽溢流口高，新酸注入到最后一個酸洗槽內(nèi)，通過溢流高差，酸液依次溢流至第一個酸洗槽，而鋼管酸洗過程是從第一個酸洗槽依次移至最后一個酸洗槽，因此生產(chǎn)物流過程與酸液溢流過程是相逆的，既確保了酸洗質(zhì)量，又節(jié)約了用酸量。根據(jù)現(xiàn)場用酸量情況，同傳統(tǒng)酸洗工藝相比較節(jié)約近30%用酸量。

梯流式酸洗系統(tǒng)如圖4所示。

2.5夾套式磷化槽

目前國內(nèi)外普遍使用的磷化槽為單層，內(nèi)設(shè)盤管加熱，生產(chǎn)一段時間后，盤管上會產(chǎn)生很厚的磷化垢，影響熱交換，必須定期停產(chǎn)清理，這對機組產(chǎn)能產(chǎn)生較大影響。現(xiàn)研發(fā)出一種夾套式磷化槽設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用雙層夾套加熱，槽內(nèi)不設(shè)盤管，借助磷化液在線除渣技術(shù)，可大大延長清槽周期，提高機組的產(chǎn)能。

圖4　梯流式酸洗系統(tǒng)

圖5　夾套式磷化槽結(jié)構(gòu)示意

圖5中，夾套式磷化槽為雙層，蒸汽熱交換在夾套中進行，然后熱量傳到槽體磷化液中，起到加熱作用，槽體內(nèi)部沒有加熱管，便于清理槽壁上的磷化垢。同時磷化槽底部設(shè)置一定量漏斗式排放口，定期排放槽底的沉淀物，進行槽外處理。被磷化的金屬材料不是放在槽底，而是在距槽底有一定距離的枕梁上，可防止槽底的沉淀物影響金屬材料的磷化質(zhì)量。

2.6磷化液在線除渣

磷化液在線除渣技術(shù)一直都是行業(yè)的難題。在鋼管酸洗磷化機組上，磷化槽磷化液加熱溫度一般控制在75℃以上，所用的磷化液一般為鋅系磷化液或錳系磷化液［9］，在與鐵反應(yīng)后會產(chǎn)生不溶性的磷酸鐵和其他不溶鹽類（磷化渣），沉積在槽底，若不進行及時清除會影響金屬材料磷化效果。現(xiàn)開發(fā)了1套在線過濾系統(tǒng)，徹底解決了這一難題，而且結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資少，使用和維護方便。

在線過濾系統(tǒng)包括氣動隔膜泵、桶式過濾器、儀表閥門等設(shè)備，通過氣動隔膜泵把槽底的磷化渣抽出，送到桶式過濾器內(nèi)過濾，過濾后的磷化液再回流至槽內(nèi)，在生產(chǎn)過程中此系統(tǒng)一直工作。桶式過濾器進出口設(shè)壓差報警，壓力增大到設(shè)置的報警值時，只需將濾筒取出，倒掉磷化渣，再將濾筒裝入即可使用，也可多個磷化槽共用1套過濾系統(tǒng)。

磷化在線除渣系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　磷化在線除渣系統(tǒng)

2.7酸洗后清洗節(jié)水

酸洗后的金屬材料需經(jīng)過第一道清洗槽清洗，第二道高壓水槽沖洗，第三道清洗槽清洗，方可洗除金屬表面殘留的酸液，這三道工序一般都是采用工業(yè)水直接補充、直接排放，噸鋼消耗及排放水量約20m3。用水和排水量大，企業(yè)生產(chǎn)成本高。現(xiàn)開發(fā)了1套清洗水系統(tǒng)，采用工業(yè)水多次循環(huán)使用排放技術(shù)，與原有生產(chǎn)工藝相比可節(jié)約用水60%以上。

圖7所示為酸洗后清洗節(jié)水系統(tǒng)，生產(chǎn)物流方向與工業(yè)水總體流向相反，最干凈的水放在生產(chǎn)物流最后一道工序，保證產(chǎn)品質(zhì)量，而工業(yè)水經(jīng)過多次使用后才進行排放，節(jié)約了用水。

圖7　酸洗后清洗節(jié)水系統(tǒng)

2.8生產(chǎn)自動化技術(shù)

生產(chǎn)自動化技術(shù)體現(xiàn)在4個方面：生產(chǎn)物流自動化，流體系統(tǒng)配液、補液自動化，酸液循環(huán)過濾加熱自動化，物流信息化［10-15］。

2.8.1生產(chǎn)物流自動化

鋼管自動酸洗線配置3臺共軌酸洗運輸車，生產(chǎn)物流主要由這3臺酸洗運輸車完成。3臺酸洗運輸車運行指令由生產(chǎn)線主PLC通過無線路由器發(fā)出，每臺酸洗運輸車配有無線接收器和1套PLC控制系統(tǒng)，可以完成如下工作。

（1）大車精確定位。要求精度在±10 mm以內(nèi)，難度大，運輸車軌距為19 m，質(zhì)量20 t，加上吊梁和物料總質(zhì)量達26 t，而且要求兩端都必須滿足誤差在±10mm以內(nèi)，在設(shè)計時采用條碼掃描系統(tǒng)、行走編碼器測速系統(tǒng)以及定位開關(guān)三者相結(jié)合，驅(qū)動采用變頻柔性啟制動，確保每臺酸洗運輸車可在生產(chǎn)線任何工位精確地定位，行走穩(wěn)定，不晃動。

（2）小車柔性動作。在上料工位取料時，2套提升機構(gòu)水平下降，水平提取；在酸洗工位放料時，2套提升機構(gòu)傾斜5°，讓酸液沿傾斜面進入鋼管內(nèi)壁；在酸洗工位取料時，2套提升機構(gòu)傾斜-5°，讓酸液從鋼管內(nèi)孔流出。

（3）工序時間可調(diào)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求不同，每個工位動作時間是不同的，例如：控水時間在酸洗槽工位、磷化槽工位、皂化槽工位以及清洗槽工位都是不同的，因為介質(zhì)流動性能不一樣。運輸車可根據(jù)不同工序的停留時間要求進行設(shè)置。

（4）路徑優(yōu)化可控。3臺酸洗運輸車受生產(chǎn)線主PLC控制，計算機根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)工藝要求，計算出3臺運輸車最合理的運行區(qū)間范圍，通過工業(yè)無線路由器發(fā)給3臺運輸車指令，可隨時調(diào)整運輸車任務(wù)，確保3臺運輸車任務(wù)均衡。若其中1臺或2臺有故障，計算機也可以發(fā)出指令，使另外1臺或2臺運輸車繼續(xù)生產(chǎn)。

2.8.2流體系統(tǒng)配液、補液自動化

自動酸洗線配液、補液主要有3種介質(zhì)：18%硫酸液、磷化液、皂化液。

18%硫酸采用槽外配液方式，由98%濃硫酸配成18%稀硫酸，濃硫酸在稀釋過程中會放出大量熱，為保證安全，設(shè)計1套自動配液系統(tǒng)，無需人工干預，只需在操作室操作電腦屏幕即可完成，操作工在屏幕上輸入稀硫酸量和濃度，自動配液系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的程序進行配液，配比好的酸液根據(jù)要求可直接輸送到設(shè)定的酸洗槽，非常安全、方便、快捷。補液也是自動方式，酸液消耗量根據(jù)產(chǎn)能而定，酸洗線累計生產(chǎn)一定量后，系統(tǒng)會自動將配好的酸液輸送給最后一個酸洗槽，然后梯流至其他酸洗槽。

磷化液配液是采用槽內(nèi)配液方式，操作工在操作屏幕上輸入磷化原液量和磷化槽編號，流體系統(tǒng)會自動將需要的磷化原液輸送至該磷化槽，然后與槽內(nèi)的工業(yè)水混合。磷化補液為自動方式，磷化液消耗量根據(jù)產(chǎn)能而定，累計生產(chǎn)一定量后，系統(tǒng)會自動將磷化原液輸送給需要的磷化槽。

皂化槽配液采用槽外配液熱輸送方式，自主研發(fā)了1套皂化配液系統(tǒng)，可將配比好的皂化液通過伴熱管輸送給皂化槽。皂化槽內(nèi)設(shè)液位計，當液位低于設(shè)定液位時，皂化配液系統(tǒng)自動向皂化槽補液。

2.8.3酸液循環(huán)過濾加熱自動化

鋼管自動酸洗線配5套酸洗槽，每個酸洗槽各配1套酸液循環(huán)過濾加熱系統(tǒng)。槽液溫度是自動控制的，當溫度計檢測酸液溫度低于設(shè)定溫度時，石墨換熱器蒸汽閥門會自動打開，給循環(huán)酸洗加熱；當溫度計檢測溫度高于設(shè)定溫度時，蒸汽閥門會自動關(guān)閉，通過溫度計和自動閥門連鎖控制保證酸液溫度。

過濾器反沖洗是通過系統(tǒng)壓力檢測，自動控制反沖洗水閥方式，當循環(huán)系統(tǒng)壓力高于設(shè)定值時，說明過濾器垃圾較多，開啟反沖洗水閥，沖洗過濾器一段時間后系統(tǒng)會自動關(guān)閉水閥，循環(huán)系統(tǒng)再次啟動。

2.9物流信息化

物流信息化技術(shù)是在上料工位時將物料信息輸送給主PLC，主PLC給出該物料生產(chǎn)工藝流程，然后控制跟蹤生產(chǎn)過程。控制系統(tǒng)的PLC從上料工位檢測到有管捆放置，開始進行管捆跟蹤，PLC將記錄該管捆的行進位置，即管捆被放置在哪個工作位中，PLC由此判斷該管捆正在進行生產(chǎn)的哪一步，按流程下一步該進行生產(chǎn)的哪一步，以及管捆下一步將被放置在哪一個工作位中，PLC通過對該管捆的位置進行連續(xù)跟蹤記錄，以控制該管捆依次完成酸洗的流程，使得管捆完成整個酸洗后成為合格品。

3　開發(fā)效果及推廣應(yīng)用前景

通過載體工程應(yīng)用，證明該鋼管自動酸洗線成套技術(shù)是穩(wěn)定的、可靠的，鋼管自動酸洗線車間環(huán)境如圖8所示。與原酸洗線相比，提高了酸洗質(zhì)量，減少酸洗時間，極大改善了作業(yè)環(huán)境，降低了勞動強度；能源介質(zhì)消耗及排放指標等方面均高于原有水平。能源介質(zhì)消耗及排放指標見表1。

圖8　鋼管自動酸洗線車間環(huán)境

4　結(jié)　語

鋼管自動酸洗線具有清潔生產(chǎn)、節(jié)約能源、降低廢棄物排放、減少環(huán)境污染、降低勞動強度等優(yōu)點，對老舊企業(yè)酸洗線的升級改造具有重要的借鑒意義；同時，可利用鋼管酸洗技術(shù)，推廣至型材酸洗、異型材酸洗等酸洗生產(chǎn)線；可酸洗材質(zhì)涵蓋碳鋼、合金鋼、不銹鋼。形成系列的酸洗工藝技術(shù)和裝備，市場前景廣闊。

表1　能源介質(zhì)消耗和排放指標

［1］殷國茂.中國鋼管50年［J］.成都：四川科學技術(shù)出版社，2004.

［2］殷國茂.中國鋼管飛速發(fā)展的10年［J］.成都：四川科學技術(shù)出版社，2009.

［3］周寶昌，李慶庸，洪連山.我國缸筒用冷拔精密鋼管生產(chǎn)現(xiàn)狀淺析［J］.鋼管，1999，28（6）：33-37.

［4］王銀軍，穆海玲，董漢君，等.SPHC熱帶氧化鐵皮酸洗困難原因分析及對策［J］.軋鋼，2006，23（4）：51-54.

［5］鄭隆鰲，劉文夫.鋼鐵酸洗廢液的處理技術(shù)及其評價［J］.鋼鐵研究，1997（1）：58-62.

［6］張顯忠，張智，魏虎兵.酸洗磷化廢水處理工程［J］.水處理技術(shù)，2007，33（8）：85-87.

［7］虞翔，孫彥琳，王紅.酸霧抑制方法的研究與進展［J］.化工科技，2013，21（3）：67-71.

［8］孫晉紅，陰程飛.PPH塑料管在酸洗工程中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005（6）：276-277.

［9］馬劉寶，朱靖，賴興濤.油套管接箍錳系磷化工藝研究［J］.鋼管，2011，40（6）：49-52.

［10］張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京理工大學出版社，2000．

［11］李建勇.機電一體化技術(shù)［M］.3版.北京：科學出版社，2004.

［12］李運華.機電控制［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［13］芮延年.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京機械工業(yè)出版社，2004.

［14］王中杰，余章雄，柴天佑.智能控制綜述［M］.基礎(chǔ)自動化，1998（6）：1-6.

［15］梁俊彥，李玉翔．機電一體化技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.科技資訊，2007，25（9）：56-60.

●信息

中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會六屆四次暨七屆一次會員代表大會在天津市召開

中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會（簡稱鋼管分會）六屆四次暨七屆一次會員代表大會于2016年4月25日在天津市召開。來自鋼管分會正副理事長單位、理事單位、單位會員和個人會員共84家企業(yè)、120多位代表參加了會議。

中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會副會長遲京東作鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的報告。中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會常務(wù)副會長劉毅出席會議，并代表協(xié)會宣布了對本次鋼管分會換屆改選工作的批復。中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會理事長李強作理事會工作報告。天津鋼管集團股份有限公司黨委副書記、總經(jīng)理孫開明致辭。

會議期間，參會代表就聽取的報告和當前企業(yè)面臨的形勢達成了如下共識：李強理事長的報告全面地總結(jié)了2015年我國鋼管行業(yè)運行的基本情況和行業(yè)運行特點，指出2016年要做好供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革需做的8項工作。會議還聽取了秘書處工作報告，通過了新修訂的《中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會工作條例》和《中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼管分會會費收取管理辦法》。

會議完成了第七屆理事會選舉工作，選舉產(chǎn)生了理事長、常務(wù)副理事長、副理事長和秘書長等領(lǐng)導職務(wù)。天津鋼管集團股份有限公司黨委書記、董事長李強當選為新一屆理事會理事長，楊在安當選為常務(wù)副理事長兼秘書長。會議對天津鋼管集團股份有限公司為本次大會圓滿召開提供的良好條件和周到服務(wù)表示衷心感謝。

（本刊）

Developm ent o f Technology&Equipm ent Package of Environm ent-friend ly Autom atic Steel Pipe Pickling Operation Line

CHEN Xiaodan，DENG Yimin
（Steel Pipe&Bar Business Department，Baoshan Iron&Steel Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Addressing the problems of the existing steel tube pickling operation line likeman power-consuming，poor operation conditions and difficult controlling of pickling quality，etc.，a complete package of technology and equipment of an automatic pickling line is developed.Described here in the article are the functional characteristics and control types of this operation line’smain technological equipment，covering such devices as the transport car，the turbulent pickling bath，and the jacket type phosphorizing bath.Also elaborated are the fourmajor automation technologies as used in the production process，i.e.，the automatic production logistics，the automatic liquid system distribution and fluid infusion，and the automatic circulating，filtering and heating of acid solution，etc.Theautomatic pickling line is in possession of a lot of advantages namely，clean operation，energy-saving，low waste discharge，and beingmore environment-friendly and labor intensity-reducing，which isworth spreading up.

precision steel tube；automatic pickling operation line；development；phosphorization；energy-! saving；environment-friendly

TG155.4+1!!

B!

1001-2311（2016）03-0036-06

陳曉丹（1963-），男，碩士，高級工程師，副總經(jīng)理，從事無縫鋼管生產(chǎn)技術(shù)工作。

（2015-12-21；修定日期：2016-03-09）