喷嘴极板兼容型电解清洗带钢技术
摘要 喷嘴/极板兼容型高电流密度电解清洗装置脱脂效率高、体积小、能耗低，适合冷轧工厂新建脱脂机组和连续退火、涂镀机组脱脂段采用。
主题词 喷嘴/极板兼容 电解清洗
Nozzle & electrode conbinatory type eletrolytic cleanning technology for strip
Wu jian sheng
Abstract The device of nozzle & electrode conbinatory type high density eletrolytic cleanning is high efficiency for degreasing, small size and low power consumed.That is suitable for the degresing new line and degreasing part of continuous annealing line and coating line in mill plant .
Key words combined nozzle with electrode eletrolytic cleanning
1. 前言
高电流密度电解清洗带钢技术在国外已经发展多年了，其中喷嘴/极板兼容型（KCCS）是近年开发的新技术。我国钢厂于七十年代和八十年代分别从国外引进了多条普通型电解清洗生产线以及涂镀线的电解清洗段，能耗高、产量低、清洗质量差、占地面积大。为了解决这一问题，中冶南方公司(原武汉钢铁设计研究总院)和外国公司合作设计开发了国内第一条喷嘴/极板兼容型高电流密度电解清洗机组，其设计运行速度达到900m/min，为同类机组世界第一，该机组已于2002年投入生产运行。
2. 机组工艺及主要设备组成
新开发设计的电解清洗机组主要用于镀锡原板的油污清洗。原板材质为：
冷轧钢卷(CRS), 镀锡用黑铁皮(TMBP)。
主要参数：
带钢厚度：0.17~1.0 mm
带钢宽度：550~1050 mm
钢卷重量：入口侧最大15 t，出口侧最大15 t
原料含油污≤300 mg/m2，含铁粉≤150 mg/m2
机组速度：最大900 m/min
年生产能力：55×104 t 。
喷嘴/极板兼容型电解清洗机组除了工艺段与普通型电解清洗机组不同外，大部分设备与普通型机组相类似。机组设备组成见图1。
机组头部主要由上卷小车、开卷机、磁力导板台（开卷器）、夹送矫直机、双层剪、焊机等设备组成。
机组中部工艺段主要由预喷淋槽、2组喷嘴/极板兼容型电解装置、碱液刷洗槽、电解涂硅槽、热水刷洗槽、漂洗槽、烘干装置等组成。
机组尾部主要由2套张力辊、测张力辊、曲柄式飞剪、磁力穿带台、皮带助卷器、张力卷取机、卸卷小车等设备组成。
磁力导板台(开卷器)采用了磁力输送引带和伸缩开卷器引带方式，主要是为了满足带钢各种厚度的需要。当带钢厚度为0.3 mm以下时，采用磁力输送引带，厚度为0.3 mm以上时，采用开卷器引带。在机组中的头部和尾部较大跨度设备之间也采用了磁力输送引带方式，有利于薄带钢穿带时顺利通过。
开卷器后面设置了三辊式矫直机，穿带时对带钢头部进行矫直，使其能顺利通过双层剪进行切头。这是因为来料是冷轧冷硬板，和通常经过退火后带钢较软、头部不需要矫直的情况相比较，是有较大差别的。
工艺段设备中增设了电解涂硅装置，这和普通型是不一样的。因为喷嘴/极板兼容型对带钢表面清洗采用的是瞬间电解法。本机组共设置4对喷嘴(极板)，每对喷嘴开口度平均值约5.4 mm（图5），按机组速度900 m/min计算，带钢通过喷嘴的时间，即电解的时间为：
T = (4 5.4 10-3 ) / (900÷60 )
= 1.4  10-3 s
有关试验提供了电流密度、电解时间、硅附着量的关系曲线，见图2。
图2 电流密度、电解时间、硅附着量的关系曲线图
由上面曲线图可以看出，当电流密度为100A/dm2、电解时间为1.4  10-3 s时，带钢表面硅附着量大约为0.1~0.2 mg/m2。附硅量低，对于提高带钢镀锡质量是有好处的，但是对于罩式退火炉中钢卷的热处理是不利的，因为根据生产实践，一般带钢表面硅附着量应在1.0 mg/m2以上，钢卷在罩式炉中退火才不可能产生粘结现象。设置电解涂硅装置的目的是为了增加带钢表面的硅附着量，避免钢卷在炉中粘结。国外的生产经验表明，连续退火机组和速度低于350 m/min的清洗机组采用喷嘴/极板兼容型技术，因其电解时间长、带钢表面敷硅量足够，均可以不设置电解涂硅装置。
高速运行机组对带钢的对中控制精度要求较高，一般在开卷机和中部工艺段都要设置自动对中控制装置，避免带钢运行跑偏。喷嘴/极板型设备电解区宽度方向缓冲量较大，允许带钢有一定的跑偏量，另外本机组中来料为新改造后轧机冷轧板，其板形较好，因此开卷机、中部没有设置自动对中控制装置对机组运行不会造成影响，这与其他高速生产线是不同的。
普通型电解清洗机组电解段的张力一般为1~2 Kgf/mm2，只在尾部设置一套S辊装置。和其他类型高电流密度装置一样，喷嘴/极板兼容型具有极板与带钢距离小(图5)、张力大的特点。为了使带钢高速运行过程不因自身抖动或板形变化接触极板产生电弧，特别要求带钢应具备较高的张力，则在尾部设置了2套S辊张力装置，使电解段的带钢张力能达到2~5 Kgf/mm2。
3. 机组工艺设备特点
3.1 结构紧凑、维护方便
普通型电解清洗槽一般分为栅极板水平槽型(图3)和栅极板垂直槽型(图4)。2种槽型的电流流向均是从正极栅极板通过电解质到带钢上，带钢上的电流再通过电解质返回到负极栅极板上。水平槽型设备长，占地面积大；垂直槽型结构紧凑，占地面积小，但处理断带事故不方便。
1-转向辊 2-栅极板 3-电解液 4-电源 1-转向辊 2-电源 3-栅极板 4-电解液
图3 栅极板水平槽型 图4 栅极板垂直槽型
新设计开发的电解清洗机组电解段采用了双机架、4组喷嘴(极板)的组合型式，结构紧凑占地小，长度约2m，比普通型电解段长度15m左右要小得多。电解液循环系统的储存槽比普通型也小得多，主要原因是喷嘴/极板兼容型的电解液流量为20~30m3/h，而普通型的电解液流量为200m3/h左右。
喷嘴(极板)采用了不锈钢板材质，以提高使用寿命，通过一个气囊和摆动压板机构对它进行固定(图5)。机架两侧敞开，需要维修更换极板或出现断带事故时，不用借助吊车打开槽盖等繁琐的工作，可就地人工快速处理。
1-机架 2-气囊 3-压板 4-极板 5-电解液 6-电源
图5 喷嘴/极板兼容型结构示意图
3.2 高密度、高效率、低能耗
电流的密度是由电流强度、带钢宽度、极板长度决定的。根据物理学电流密度定义：在通有电流的导体内某点处，取面积元ds的电流密度为dI，电流密度
D = dI/ds A/dm2
以栅极板型为例(图4)，把上面公式积分后，通过带钢面的电流密度为：
D = I/BL A/dm2
式中，I为整流器电流，A；B为带钢宽度，dm；L为极板长度，dm；η为效率，% 。普通型电解清洗装置设置的栅极板数量多、距离长，电流密度只能达到5.4～21.6 A/dm2。喷嘴/极板兼容型电解区域窄，约为1～11mm(见图5)，电流密度达到100A/dm2 。普通型电解清洗装置清洗带钢后的残油量一般20mg/m2，喷嘴/极板兼容型清洗带钢后的残油量设计值约为5mg/m2，后者的清洗效率显然高得多。
影响电流利用效率的还有一个重要原因是在电解质中产生的电压降，即：
Ej = D×H / (Q×10-3×102) v
式中，D为电流密度，A/dm2；H为带钢与极板间距，dm；Q为电解质导电率，µΩ/cm2 。喷嘴/极板兼容型的电流流向是从正极的极板(喷嘴)通过一面的电解质传到带钢上，带钢上的电流再通过另一面的电解质传到负极极板(喷嘴)上，带钢与极板的间距为10mm，比普通型间距51～125mm小得多，因此电解质中产生的电压降也小得多。目前普通型配置的整流器容量一般为200 KVA左右，而喷嘴/极板兼容型配置的整流器容量为30 KVA，能耗比前者大大降低。
4．结论
随着国内外对高附加值冷轧板的需求增加，冷轧原板表面清洗质量也要求越来越高。喷嘴/极板兼容型电解清洗装置脱脂效率高、体积小、能耗低，适合冷轧工厂新建脱脂机组和连续退火、涂镀机组脱脂段采用，具有广阔的市场前景。
参考文献
1 程守珠主编《普通物理学》 人民教育出版社出版 1979.2
2 日本川崎公司：KCCS技术交流资料
3 吴建生“高电流密度电解清洗带钢技术的分析研究”《轧钢》Apr.2001
作者简介：
吴建生，男，1956年出生，教授级高级工程师，1982年毕业于北京钢铁学院，上海宝钢益昌高电流密度电解脱脂机组主要设计人。曾获得国家优秀设计银质奖一项，冶金部优秀设计一等奖一项，国家专利两项。
