尝试替代酸洗的新型除鳞工艺简述

段明南,李山青

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

黑色金属及其许多合金材料在热态工艺处理期间或之后,都会在表面形成一层由金属氧化物组成的致密覆盖物,因覆盖层存在微观较均匀的类似鱼鳞的裂纹,故俗称“鳞皮”。鳞皮的存在对金属进一步的冷态压延、冲压、涂装等处理都会造成不同程度的负面影响:首先,鳞皮会直接压入金属表面,造成成品表面的宏观缺陷(如凹坑、孔洞等);其次,涂装后的鳞皮埋没在镀层与本体之间,极易产生气泡而破坏耐蚀镀层,从而影响耐蚀指标;再次,冲压期间的鳞皮不仅恶化生产环境,同时加速磨具的磨损[1]。

为了消除鳞皮对钢铁制品后工序的负面影响,人们100多年前就开始采用化学酸洗。随着钢铁工业的持续发展,酸洗工艺的固有缺陷日趋显著:①酸雾对厂房及周边设施影响巨大,酸雾的排放直接导致工厂寿命急剧降低;②废酸处理的建设成本与运营成本均较高,且处理期间始终存在粉尘与酸雾排放,污染环境;③因原料鳞皮的不均匀导致酸洗除鳞的不均匀,局部的过酸洗造成金属损失大,成本居高不下;④新钢种的合金添加以及短流程等新工艺的工业化,导致鳞皮形态与属性日趋复杂,传统酸洗难以保障其成本合理时的除鳞质量。

为了解决这一系列新老问题,科研工作者持续多年进行了大量的科研试验与理论研究,开发各种新技术和设备尝试替代酸洗,具体如:等离子、超声波、激光、干法抛丸、高速射流等除鳞方法。时至今日,真正开始实现酸洗替代而且已经逐步工业化的除鳞工艺仅为高速射流工艺,而且高速射流的多个不同技术分支均实现了不同的技术突破,各分支特征如表1所示。

表1 高速射流工艺的各分支及相关信息Table 1 Branches and relevant information of high speed jet process

2 传统干法抛丸除鳞

干法抛丸最早可追溯到1920年的美国明尼苏达州,拉尔斯·马格努斯·安德森和奥古斯特·G·安德森通过一对相互接触的皮带轮装置,利用其高速运行的皮带凸起对磨料颗粒进行连续的加速、推射,进而达到对金属表面的击打、磨削,实现表面强化与附着物清理的工艺目标。而后在美国铸造公司、Pangborn、Wheelabrator等公司的不断努力下,抛丸机的结构日趋合理并最终演变成当前的抛丸器形式。之后抛丸清理技术得到了长足的进步并且被广泛应用到多个领域当中,如铸造行业中的抛丸落砂、机械零部件行业中的抛丸强化等[2],而控制合适的工艺参数则可实现对钢材表面氧化铁皮的清除,即抛丸除鳞。抛丸除鳞是依靠高速旋转的叶轮将磨料颗粒抛向工件表面来实现的。图1为Wheelabrator公司官网上对带钢进行抛丸除鳞的示意图:抛射磨料的叶轮盘对称布置在热轧带钢两侧,当带钢持续通过时,连续抛射出的磨料射流实现对带钢正反面同步除鳞,同一侧的两个叶轮旋向相反是为了通过热区补偿、叠加获得更加均匀的除鳞质量。

在热轧带钢除鳞技术领域,抛丸工艺主要是配合酸洗工艺使用,如对于难酸洗的不锈钢、高牌号硅钢,先使用高强度的抛丸工艺去除部分氧化铁皮并使得剩余氧化铁皮破裂产生鳞皮裂纹后,通过酸洗再进一步实现彻底除鳞。瑞士的DISA公司(后并入Wheelabrator公司)可作为干法抛丸的代表企业之一,其研制出HB钢带抛丸清理系统,可模块化集成到连续式酸洗线及推拉式酸洗线中,可处理带钢最大宽度2 100 mm,单台抛丸器最大功率为90 kW,最大抛丸量为1 200 kg/min。从20世纪80年代至今,已推广多套系统至钢铁企业(蒂森、浦项、宝钢、太钢等)。

在除鳞大生产应用领域,抛丸的工艺缺点非常明显:①除鳞质量不理想。抛丸清理的除锈等级通常在Sa2.0～Sa2.5,氧化铁皮无法完全清除;其次,在处理低碳钢时容易产生丸粒嵌入的缺陷;此外,成品表面较高的粗糙度限制了应用范围。②工艺过程产生大量粉尘。污染环境且易造成火灾、爆炸,需要配备庞大的除尘设备。

3 离心混合射流除鳞

自20世纪初冶金行业已经发现酸洗除鳞的工业污染,而且开始寻求各种可替代酸洗的新型工艺。在20世纪30年代之后,干法抛丸作为主要研发改进对象而获得高速发展。在进入1950年之后,美国Wheelabrator公司提出:通过发射一种水与磨料的混合物,可以实现对铸件表面的鳞皮进行半清除或全部清除,其环保性优异。在此之后,湿法抛射开始缓慢进步并逐步靠近大生产。

时至今日,离心混合射流工艺的最典型应用企业主要有两家:美国TMW-EPS工艺与宝钢BMD工艺,而且两家均已成功应用于冶金企业的大生产除鳞。其中,EPS工艺研发与推广的时间更早,截止目前投产的EPS机组约20多条(含国内外全部的板线、卷线)。

3.1 美国EPS工艺

EPS工艺原理:将水砂混合浆料推送至高速旋转的发射器,经过发射器加速、抛射后形成一块类似三角形的射流,持续冲击、磨削钢板的表面,进而实现鳞皮清除;除鳞后的板面在接触到水体中的防锈试剂后,有效解决了裸露板面锈蚀的问题,达到最终除鳞的目标[3]。其除鳞后的板面微观质量如图2。

美国TMW公司自2013年进入中国以来,截至目前在中国已经投产超过10条(板与卷)产线,EPS系统已经成功在国企钢厂(如太钢、鞍钢)、民营加工厂(如新余市碧水、常青机械等)实现工业应用,其产品陆续供应冲压涂装、冷态轧制等各类下游工艺,产品质量合格,成品性能优异。

然而,自2014年在中国国内建设的第一条EPS机组投产之后,其系统所固有的原理缺陷、设计缺陷等逐步凸显,笔者通过持续10年的跟踪、实地走访与详细交流,就其主要问题归纳如下:

(1) 其他公司污水无法做到不排放。水体需定期外排或委托处理,否则水质恶化至无法生产。

(2) 能耗太高。产出成品质量为Sa3.0级时,生产的能耗较高,尤其是吨钢电耗太高。

(3) 系统稳定性差。耗材服役寿命短、维护频繁,且异常故障率太高,无法满足持续大生产。

(4) 售后支撑能力薄弱。EPS源于美国,国内代理商无技术支撑能力,故障等无法及时有效的解决。

基于以上各原因,导致EPS自2014年以来陆续建设的各条除鳞产线,其实际运行状况并不理想,这也严重阻碍了EPS的进一步推广应用。

3.2 宝钢BMD工艺

宝钢BMD工艺(Baosteel Mechanical Descaling technology,宝钢机械除鳞,简称BMD)是一项宝钢历时超10年且完全自主开发的一种先进除鳞工艺。该工艺主要使用磨料与水的混合物作为除鳞介质,在持续循环过程中实现介质的回收分离与高速击打,从而实现对金属表面的鳞皮清除,其工艺模型如图3所示。

基于这种方式,可对金属板带的热轧鳞皮进行有效清除,且除鳞能效极高,其除鳞前后的表面形貌如图4、5所示,图中钢卷规格为厚度4.0 mm、宽度1 450 mm、钢种Qste650。

截至目前,BMD已建成并投产两条商业化机组(2015年窄卷机组与2018年宽卷机组),其产品已经成功应用于各类汽车零部件、卡车底盘件、车轮以及冷轧向原料,并在国内超过10家汽车主机厂或零部件供应商完成了严苛的各项质量认证,且部分厂家正在持续批量供货,质量达标。BMD工艺及产品依托其优异的环保性能、高效除鳞性能、低廉的成本及良好的工艺稳定性,获得了业内的一致好评。

相比于其他类似除鳞工艺,BMD工艺具备如下典型优势:

(1) 无废水、废气及固废的排放。介质持续循环无外排(如BMD商业机组,从未排放过污水)。

(2) 吨钢电耗极低。相比于竞争对手,在同工况与同质量情况下,BMD吨钢电耗约为竞争对手的一半,而电耗往往是射流除鳞工艺的第一成本。

(3) 稳定性好。耗材种类少且服役寿命明显长于竞争对手,异常故障率低,可满足于连续大生产。

(4) 速度较快。带宽1 200～2 000 mm时,除鳞速度可达90 m/min;当带宽≤900 mm时,BMD可实现150 m/min稳定除鳞生产,成品质量Sa3.0。

(5) 售后有保障。BMD技术开发团队与工程建设团队共计11人,历时10年,持续服务各用户。

4 高压混合射流除鳞

高压混合射流工艺是通过高压水作为动力源,将磨料吸入喷嘴并混合加速,最终经由喷射口喷出并击打在金属表面而实现鳞皮清除的新型环保工艺。该工艺的最大特点是使用了超高压水,即工作压力通常在30～70 MPa范围。

高压混合射流工艺是由气喷丸工艺演化而来。最早在20世纪的第一个10年,北美就公开了一种水力混合磨料的喷射清理系统及工艺方案,并明确提出:这种工艺方案比压缩空气更为经济、更为高效。自此之后,受高压泵组、耐磨材料等基础性能的限制,该技术的研发进展缓慢。但进入20世纪70年代后,美国人诺兰与约翰分别提出了改进型的混合喷射方式:同样采用高压水作为动力,但其喷嘴结构更为简单、且混合效率明显更高;与此同时的日本富士精机、石川岛播磨等,均提出了这种射流系统的工业化应用案例。

高压混合射流工艺在我国起步较晚,最初研究这类工艺的单位主要为采矿或石油勘探领域。例如,中国石油大学的沈忠厚院士在20世纪70年代中期就开展了该工艺的研究与应用。沈院士及弟子主要针对“前混合”射流工艺,即磨料与高压水在进入喷嘴之前就已经混合充分的射流工艺;其次,淮南矿院、长沙矿院等都对此进行了深入的研究。其中长沙矿院(分为长沙矿冶与长沙矿山)主要以后混合工艺为主,且多年以来一直坚持科研开发与工业化应用相结合,从90年代开始,长沙矿院将射流工艺成功应用于棒线材的表面除鳞(参见图6),而后在2012年,首次开发出板卷除鳞产线,但因为技术水平限制,该除鳞钢卷的宽度较小、且主要以民营低表面质量要求为主。

截至目前不完全统计,高压混合射流工艺已累计建设的机组数量超过50条,在中国的河北、广州以及长三角区域密集投建,且有出口至越南的工程业绩。

然而,根据笔者多次的实地走访调研,发现这类除鳞工艺存在如下典型特征:

(1) 高压泵组及管路系统庞杂。设备数量庞大、管路连接繁杂(参见图7),导致占地面积大、维护频繁、成本高等一系列问题。

(2) 综合能效太低。因采用增压、高压传输、高压混合等一系列大能耗工艺,导致系统装机容量太高,且吨钢除鳞的电耗居高不下。

(3) 质量不稳定。密集射流的错位布置是实现均匀质量的前提,然而局部喷嘴堵塞、异常磨损、管路不畅等,都会导致成品表面产生斑马条纹;同时,高压射流本身的强度分部不均匀,导致成品粗糙度、清除率等都不一样,最终降低了成品的应用等级。

也正是基于以上特征,在2018年之后,许多除鳞机组已经停产或拆除。基于高压混合射流的原理特征,在一些小型表面处理的需求领域上,该工艺有其特殊的工艺优势。

5 湿法浮动刷辊除鳞

湿法浮动刷辊除鳞是一种典型的机械除鳞工艺,其通过钢丝或耐磨陶瓷颗粒与板面之间的接触研磨,实现对金属表面氧化铁皮和杂质的清除。在冶金除鳞工艺上,刷辊属于一种辅助性表面清理工艺,其往往设置于拉伸矫直机或多辊矫直机的出口,对已经裂开或松脱的鳞皮进行力学刷除。对于独立的刷辊机组,如美国SCS工艺(参见图8),其主要用来清除金属板材表面的浮灰或浮锈,避免下工序的工人生产环境的灰尘太多;对于致密的鳞皮组织,刷辊的处理效果往往不佳[4]。

中国浙江有一家企业提出了一种“浮动式湿法磨削除鳞工艺”,并成功将该工艺分别应用于不锈钢盘条与不锈钢卷的除鳞大生产。该企业在自有厂房内建设了一条连续化除鳞示范机组,机组中的工艺段长度近90 m(参见图9),在工艺段之前设置有1台拉伸矫直机,用于辅助破鳞以提高速度并矫直板形。

该工艺因为采用接触式磨削方式来实现除鳞,其除鳞能效最高。然而,刷辊除鳞工艺早在几十年前的欧美就已经有人多次尝试、探索,因发现该工艺存在如下几个技术瓶颈而放弃:

(1) 刷辊服役寿命。刷丝属于典型耗材,尼龙制刷丝有喷水冷却时,其连续工作时间<300 h。

(2) 带钢宽度上的除鳞均匀性。当单根刷辊磨削的宽度较大时,宽度上的除鳞均匀性无法保证。

(3) 磨削力度的控制:刷丝通过接触磨削,在将最外面鳞皮磨削清除后,很容易磨损基体导致金属收得率下降。

基于以上,刷辊工艺在普通金属板带的大生产上应用困难较大,但如果将其应用于某些特殊产品,如昂贵的不锈钢板卷、钛板的除鳞,或者是某些附加值极高的金属板卷的表面处理上,在有效解决了对金属基体过度磨削的前提下,其仍然具有较大的应用潜力。

6 气喷混合射流除鳞

气喷混合射流除鳞工艺是利用压缩空气作为动力源,利用喷嘴的内腔,将水砂混合物供入喷嘴腔体并与压缩空气混合实现动能传递,并最终将动能传递至磨料颗粒,实现磨料高速喷射的表面清理工艺。该工艺因为含有水,故其无粉尘污染,操作环境比较干净。图10为气喷水砂的喷嘴结构与压缩空气站结构图。

产生压缩空气的源头系统,必须由空气压缩机、储气罐、干燥机、过滤器、输气管道、阀门等组成。这一连串系统的能效级别,当采用活塞式空压机时,总效率<60%;近年来持续被螺杆压缩机与旋涡压缩机所取代,气源的产生能效可提高至80%左右。

空压站系统所产生的压缩空气,通过输送管路、阀门、弯头等最终输送至混合喷射头的入口,此过程中压缩空气的总压力损失很容易超过10%,如此进一步折损了有效功率,能耗显著提高。压缩空气在进入混合喷嘴后,其能量必须在喷嘴中经过的短暂期间,将压缩空气的动能传递给磨料颗粒,实现磨料由低速状态瞬间提升至目标速度(>50 m/s,最高可达200 m/s以上)。磨料颗粒的飞行速度越高,则能量转化的效率越低,即使是当前最为流行的文丘里式喷射管,其能量转化效率也不会超过50%。

湿法喷砂工艺所使用的主要能介预测为:

(1) 压缩空气。压力为0.35～0.8 MPa,单个喷嘴流量通常为1.0～1.5 m3/min。

(2) 非循环水。生产期间水为完全循环使用,但持续生产每6～10天后,需彻底更换1次水(污水外排或委外处理)。

(3) 磨料。每1～3个月更换1次磨料,确保磨料粒度与均匀性,部分企业正在研发持续补充式磨料系统。

(4) 为保障表面处理后的表面不会快速被氧化,水中需添加一定比例的添加剂。

这种文丘里式加速喷射方式,尤其是携带尖锐棱角的磨料颗粒(图11),其打击后的金属表面很容易嵌入磨料颗粒或部分嵌入,嵌入后的颗粒物不易脱落,影响后工序。

湿法喷砂工艺,因为其主要动力源为压缩空气,故气源成本即电耗成本往往为第一成本,维持气源的稳定发生与输送以及磨料介质的稳定输送,是该项工艺的关键。

7 高压纯水射流除鳞

高压纯水射流工艺是利用高压水作为动力且同时作为唯一的打击介质,实现对金属表面的连续高强度冲击,达到表面附着物的清除。这种处理工艺,目前已经广泛应用于工业化清洗行业,如锅炉管的结垢清除、输油管沉淀物的在线清除、涂漆金属板的表面除漆等。

笔者在10年前利用纯高压水射流对金属板带进行了手持式鳞皮清理试验,具体参数及试验结果如表2。

表2 除鳞试验样板的材料成分Table 2 Material compositions of descaling test sample

该试验样品取自宝钢股份的2 030 mm产线剪切样,为热轧普通卷料。

具体试验信息为:①采用三柱塞高压泵加压;②试验压力为200～220 MPa;③试验方式为手持高压枪试验;④采用5喷头气动旋转(4 000 r/min)。如图12所示。

对除鳞后的样板进行微观放大,并与未除鳞样板进行对比,如图13、14所示。

采用高压纯水对钢板进行射流除鳞,利用200 MPa的水压对未拉矫普碳钢进行连续冲洗,具有一定的鳞皮清除效果,但效率低下,速度较慢。如果将其应用于冶金大生产的板卷除鳞,其成本一般企业难以承受。

8 结论

随着社会需求的变化以及钢材品种的日益革新,更新的除鳞工艺必然会层出不穷,但纵观这十几年来各新除鳞工艺的发展与工业化推广的应用实况,可得如下主要结论:

(1) 新型处理工艺比之酸洗,其环保性能均具有显著的提升,虽然部分工艺仍然有污水排放、有粉尘,但相对于酸洗的酸雾、含酸废水等,其环保性能显著提升。

(2) 新型除鳞工艺,普遍效率不高,尤其在除鳞速度上,在保持Sa3.0的除鳞质量时即使借助于辅助除鳞系统,速度仍无法超越200 m/min。提高除鳞速度是当前新除鳞工艺的研发重点与难点。

(3) 新工艺基于工艺原理的差异,其成品质量差异明显,部分工艺目前只能应用于低端表面,但基于种类多样的社会需求,新工艺必须依托经济、合理的商业化应用加大推广应用力度,才能进一步加快其技术成熟的进度。