不銹鋼APH機組酸洗工藝研究

李小軍

隨著國民經濟的高速增長，我國對不銹鋼的需求呈快速增長趨勢，為了滿足市場需求，提高生產率，現代化的不銹鋼生產線將退火與酸洗合在同一機組內進行連續作業，這種機組被稱為連續退火酸洗機組，即APL。APL機組主要包括AP（H）、AP（C） 等。其中，用于熱軋板卷退火和酸洗的機組稱為AP（H）機組，通過退火使熱軋板卷軟化、調整晶粒度或提高塑性，再經酸洗后除去在熱軋或退火過程中生成的氧化鐵皮等雜質。本文主要介紹并分析AP（H） 機組中的酸洗段的工藝特點。

1 不銹鋼酸洗工藝

1.1 酸洗目的及酸洗前預處理

在AP（H） 機組中，酸洗的目的是去掉熱軋及退火過程中在鋼帶表面形成的鐵鱗，即氧化層。除此之外，酸洗另一個目的是對不銹鋼表面進行鈍化處理，提高鋼板耐蝕性。不過，由于不銹鋼的鐵鱗中含有與基體結合非常緊密的氧化鉻，使酸洗較普通鋼板更加困難。因此，為提高酸洗效果，必須在酸洗之前進行破鱗處理（簡稱預處理）。預處理方法采用機械破鱗技術，所采用的設備主要有噴丸機和破鱗機，兩種設備根據具體工藝要求既可單獨使用，也可聯合使用[1]，本文所述酸洗線是破鱗機加噴丸機聯合使用。

噴丸處理是利用噴丸機產生的壓力和離心力使小尺寸鋼丸以很高速度噴射在運行中的帶鋼表面上進行除鱗。噴丸機的基本工作原理是將鋼丸通過料斗和導筒送入葉輪裝置，從正反兩面噴射，噴射后鋼丸再通過螺旋槳及斗式提升機等循環裝置送到機體上部，用分離器將氧化皮和碎丸分離出去，然后將可用鋼丸再送回葉輪裝置循環使用。噴丸處理能力主要由葉輪裝置的輸出功率、投射量和投射速度決定，它們是噴丸機最重要的技術指標。

破鱗機是利用一組輥子（兩彎一矯）將鋼帶以“S”形反復進行彎曲，使帶鋼表面上的鐵鱗層產生龜裂，而更易于剝落。

1.2 酸洗工藝段描述

在AP（H）機組中，由于酸洗段和退火爐之間沒有活套，所以酸洗速度必須與退火速度相適應。酸洗線的工藝處理主要包括：化學酸洗、刷洗、清洗及干燥。其中，化學酸洗段分成兩段，即硫酸酸洗和混酸酸洗[2]。

不銹鋼經過軋制和退火后會在鋼帶表面形成一層氧化鐵皮，在氧化鐵皮中有鉻鐵氧化物，鐵氧化物和其它合金元素氧化物等成分，其混合物的比例取決于鋼的成分和退火條件 (溫度、加熱時間和氣氛)等。

這些金屬氧化物大都是以尖晶石的形式存在的，特別難溶于酸。此外，某些情況下，在這層氧化鐵皮下面還會形成一定厚度的貧Cr區，而為了保證鋼帶表面的性能，鋼帶表面的Cr含量一定要與鋼帶內部相一致。因此，對鋼帶進行酸洗的目的就是要通過使用不同溶液進行多階段酸洗，以去除鋼帶表面的氧化鐵皮以及貧Cr區。

（1） 化學酸洗 （硫酸）

如前所述，氧化鐵皮中包含有一定比例的鐵基氧化物，這些氧化物用硫酸溶液清洗后即可被有效去除。

鋼帶表面在H2SO4中進行酸洗時將發生一系列的化學反應。

氧化鐵皮被溶解成：

用硫酸酸洗不銹鋼鋼帶的酸耗低，排氣凈化簡單，酸洗速度快，在去除鐵基氧化物的同時對環境無污染。在硫酸酸洗后設置一臺雙磨擦刷洗機，通過機械方法清除鋼帶表面粘附的氧化鐵皮顆粒，同時噴射清洗水到鋼帶表面，以去殘余硫酸。

（2） 混酸酸洗

經過第一階段的酸洗處理，部分氧化鐵皮已被去除，所剩余的氧化鐵皮為包括Fe－Cr－Ni等的混合氧化物。此時，通常使用硝酸和氫氟酸（HNO3+HF）的混酸，在去除這些混合氧化物的同時將貧Cr區一起消除。為提高帶鋼酸洗質量，混酸酸洗過程分兩個階段進行。當鋼帶經過最后一個酸洗槽，鋼帶表面最后的氧化物被去除后，鋼帶表面也變得光滑，再由刷洗機清理掉鋼帶表面的氧化鐵皮顆粒，噴射清洗水到鋼帶表面去除殘余酸，最后使用帶鋼烘干機對帶材進行烘干處理。

對不同的鋼種其酸洗濃度也不相同（見表1、表 2）。

1.3 酸溶液的管理

酸溶液的管理和處理是一個在線過程。根據鋼種不同，新酸和再生酸將自動按配比加入最后一個循環罐中。在酸排出之前，要經過所有的循環罐，并送到酸再生裝置中。需定期對酸液進行分析，以確定酸液實際濃度和設定標準之間的差別。計算機將自動計算所需加入的新酸量及再生酸量，加入新酸或再生酸的過程均自動進行。有了這種配制概念，酸濃度和金屬濃度總能控制在一個很小的范圍內，將會生產出表面質量極好的產品[3]。

表1 AISI200中的酸洗標準

表2 AISI304中的酸洗標準

1.4 酸洗控制系統

根據酸洗系統的工藝要求，采用可編程序控制器（PLC）與操作站組成的自動化控制系統對酸洗工藝段整個生產過程進行監視、控制與操作。該酸洗工藝段控制系統由兩個操作員站（HMI）、一套PLC系統以及現場自動化儀表、泵、閥等設備組成。酸洗工藝段主要檢測和控制項目有：

（1） 酸洗槽液位顯示及報警。

（2）循環罐液位和溫度顯示及報警。

（3）酸洗槽供酸泵出口壓力顯示及報警。（4）酸洗槽酸洗液循環管切斷閥的順序控制。（5）循環罐酸液、工業水進水管和排放管處切斷閥控制。

（6）廢酸罐液位和溫度顯示及報警。

（7）廢酸罐酸液、工業水進水管切斷閥的控制。

（8）廢酸罐排放管切斷閥的控制。

（9）廢酸罐排放總管壓力顯示及報警。

（10）清洗槽液位顯示及報警。

（11） 清洗槽清洗液循環泵出口總管壓力顯示及報警。

（12）清洗槽軟水進入管切斷閥的控制。

（13）酸洗加熱用蒸汽換熱器蒸汽閥開度控制。

（14）新酸供應系統中供酸管路上流量計、泵及切斷閥監控及每個儲罐新酸供量控制。

該系統的控制模式為模擬量控制和開關量順序控制。其中的模擬量控制回路主要包括：酸溫控制回路、水和酸流量控制回路等，采用PID控制方式。開關量順序控制主要包括：供、排酸控制、壓力聯鎖控制、液位聯鎖控制等。設備控制模式分就地手動、遠程手動、自動等三層控制模式。

2 不銹鋼酸洗工藝的實際應用

某廠不銹鋼APH機組的酸洗線總長度113.365 m（見圖1）。

（1） 預清洗均為1.4 m。

（2） 硫酸酸洗槽1個，長度為1×20 m，酸洗時間為20 s。

（3） 1#、2#刷洗機為雙排刷輥，長度7.45 m。（4） 硫酸酸霧處理能力為8 000 m3/h。

（5） 混酸酸洗槽3個，長度為3×20 m，酸洗時間為60 s。

（6）最終清洗及3#、4#刷雙排刷輥洗機總長度為9.35 m+1.9 m。

（7） 烘干機長度2.6 m。

（8） 混酸酸霧處理能力為14 000 m3/h。

2.1 酸洗段的設計要點

（1）該酸洗線的酸洗段分成硫酸和混酸酸洗段兩段。每一段都設計有高渦流酸洗槽。整條線共有一個硫酸酸洗槽和三個混酸酸洗槽以及相應的循環罐、循環泵和管道等。

（2）用于添加的新酸或再生酸洗液以與鋼帶運行相反的方向加入，以噴流的方式流入第一酸洗槽，并排出相應數量的酸洗液。這種方式使酸洗線可以達到設定的紊流效果。

（3） 在混酸段，每個酸洗槽配有單獨循環罐，確保循環泵可以收集足夠的酸，同時使整條酸洗線可以儲存足夠的酸。酸洗溶液的加熱或冷卻均由外部熱交換器負責。

（4）當酸洗線不運行或生產線因故停車時，酸洗液將從酸洗槽排入到循環罐中。工作時再由循環泵把酸排入酸洗槽。在此期間自動進行旁通加熱。

（5）為了防止廢氣散出，酸洗和清洗槽都有槽蓋，并且裝有凈化系統。

（6）為了避免污泥沉積，保持酸液始終流動并避免“死區”非常重要。

為此，酸洗槽兩邊在軋制線上下方設有多處噴射點使槽中的酸液形成高紊流。這種邊部噴酸法能使帶鋼快速預熱，尤其在第一酸槽內，使酸洗可以立刻開始；這種交叉噴酸的方法在酸槽中能產生極好的渦流，避免酸槽中污泥及從鋼帶表面除下的氧化鐵皮殘渣沉積。同時，這種高渦流會使鋼帶表面物質交換更加充分，還可以提高酸洗效率。

（7）酸槽溫度監控系統可根據運行要求，通過改變控制系統名義值調整酸槽溫度。使鋼帶速度降低時，酸槽溫度也能相應降低，以節約能量。

（8）酸槽的底部設計成斜面形式，以便于排酸口排液。酸液流中的一部分總是經由這些出口進行排出。其它部分的酸液則是通過每個槽的入口和出口箱排出。

（9）在硫酸酸洗槽和混酸酸洗槽后各設有一臺雙摩擦刷洗機，通過機械方法清理掉帶鋼表面松散粘附的氧化鐵皮顆粒。同時噴射清洗水到帶鋼表面，以去除粘附的殘酸，提高鋼帶表面質量（見表3）。

（10） 當帶鋼離開最后一個酸槽時，帶鋼表面殘酸必須被清理干凈。因此在最終清洗段設有刷洗、完全清洗段。其中，完全清洗段包括噴射清洗槽、2個單刷洗槽和熱清洗槽。為了節約能源，使清洗水用量最少，所有四個槽被連在一起，并布置為瀑流形式。這意謂著冷凝水或脫鹽水被加入到最后一個清洗槽后，將會經過所有清洗槽一直溢流到第一個槽中。用過的清洗水中一部分用于平衡混酸槽的蒸發損失，其余部分將排到廢水坑（見表4）。

圖1 酸洗簡圖

表3 刷洗機特性

表4 噴射清洗系統特性

（11）帶鋼被清理干凈后將通過干燥機去掉表面殘余的水分。帶鋼干燥機使用非直接加熱的空氣進行干燥。空氣由一個徑向鼓風機吸入，通過熱交換器后經過帶有特殊噴管的分配系統烘干帶鋼。另外，還設有鼓風機烘干帶鋼邊部。

2.2 酸洗溶液控制

該酸洗線配有分析儀和相應的分析系統，可以確定所需新酸和水的用量，并且酸和水按配比自動加入循環罐中。分析系統對H2SO4、HF及HNO3游離酸和總酸濃度及金屬離子總濃度進行取樣分析。

（1）H2SO4的游離酸和總酸濃度。（2）金屬離子的總濃度。

（3）HF游離酸和總酸濃度。

（4） HNO3游離酸和總酸濃度。

根據分析結果，激活配制程序的控制系統，調整H2SO4、HF及HNO3配制量并生成分析文件。

在酸洗過程中，因各種酸液的溫度都比較高，勢必會有各種酸液揮發物和各種廢氣產生。為保護環境，需要進行集中收集，待凈化處理達標后才能排放。

排煙系統負責抽取酸洗段所產生的煙霧，并輸送到相應的煙霧處理系統。煙霧中所含的酸由洗滌塔系統去除。硫酸酸洗段所產生的煙霧經過洗滌之后排放到大氣中，而混酸酸洗段所產生的煙霧在經過洗滌之后還要送至氮氧化物處理裝置進行處理。在H2SO4廢氣凈化系統中，廢氣通過一個風機被引導到一個密集噴射區。在該噴射區，廢氣與凈化溶液接觸，并通過液滴分離器和除霧器將廢氣和液滴進行分離。

因來自混酸酸洗段的氣體具有相當高的HF濃度，所以在混酸廢氣凈化系統中，氣體清理裝置分為HF洗滌塔和SCR脫氮裝置兩個部分。混酸酸洗段氣體先進入氣體洗滌塔的底部（收集盤），在那里氣體改向進入對流系統，氣體垂直向上通過填充料（洗滌塔），同時洗滌液由離心泵從洗滌塔頂部均勻地噴射到填充料上。在這個過程中，氣體和洗滌液之間充分接觸，使氣體相與液體相之間的物質交換充分進行，而具有網紋結構的填充料安裝在洗滌塔頭部，既可以做為霧收集器，又能夠有效地分離懸浮物和氣體。從填充料排出的洗滌液匯集到洗滌塔底部收集盤處，再由化學離心泵通過管道和噴嘴循環使用。

經過洗滌塔清洗氣體（降到指示的極限值）被運送到催化SCR脫氮裝置，將在催化SCR脫氮裝置中進行NOX的還原。經過這樣處理后的有害氣體僅為處理前的5%～20%。最后，酸洗段所產生的廢酸水被收集到地坑內，并用泵輸送到廢水處理廠進行處理。

3 結語

到目前為止，國內幾家大型不銹鋼生產廠所建設的不銹鋼退火酸洗機組均由國外引進，只有部分設備為國內合作制造。因此，經過對多條機組酸洗段工藝和設備選擇特點的分析研究，總結出一套先進成熟、經濟可靠的生產工藝及合理的設備配置方案，對今后我國自主集成不銹鋼退火酸洗線具有重要意義。

[1]秀平．不銹鋼生產用新型軋制、退火和酸洗生產設備 [J]．鋼鐵，2001 （11）：12－15．

[2]干勇．先進鋼鐵材料技術的進展．[J]．中國冶金，2004（8）．

[3]朱敏之．日本川崎制鐵的不銹鋼生產工藝特點與新產品開發．[J] ．特鋼技術，2004 9 （2） ．